陈冠霖，解雅雯

（无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）

引言

由于世界各国对化石能源依赖性比较大，导致不可再生能源逐渐短缺，甚至不法工厂将废水废气随处排放，对人类的生活环境产生影响，能源危机不可避免地引起各个国家的重视，世界各国加大投资及开发寻求更加节能、可再生资源。纯电动车电池的充电性能严重制约电动汽车的发展[1]。近年来超级电容器的发明越来越得到科学家的重视，超级电容器作为一种与传统燃料电池相比更清洁的新型储能元件，其具有的功率密度和能量密度皆优于传统电池而广泛用于电动汽车产业、自动化产业、航空航天及通讯产业等众多领域。而电极材料中活性炭具有比表面积大、良好的导电性、价格便宜等优点，成为众多电极材料中首选材料。

而备制活性炭的原材料可以从自然界中获取，如煤炭、木材、竹炭、各类果壳等，利用废弃材料再开发循环利用的方式，减少不可再生资源的消耗。我国作为一个农业大国，物产丰富，而白果壳含碳量较高，是一种良好的活性炭原材料，我国年产量约为10 万吨，废弃白果壳最多充当燃料，绝大部分白果壳作为生活垃圾未能得到充分利用。本研究以白果壳为原料，采用传统物理活化法备制高比表面积活性炭制作电极材料并对其电化学性能测试与分析。

1 材料和方法

实验材料：实验材料采用废弃白果壳，由无锡某水果市场提供。

实验器材：SX2-10-12 箱式马弗炉，研磨机，Φ300 mm × 500 mm（管式炉直径300 mm）不锈钢管式炉，全自动比表面积分析仪，研钵，电化学工作站等。

实验流程：

材料选择——原材料预处理——碳化——活化——水洗烘干——成品

原材料预处理：将白果壳在粉粹机中粉碎,用实验用水清洗，并煮沸20min，静置。放凉后放置烘箱120℃烘干。烘干后用研钵磨碎，过筛。

制备过程：称取20g 过筛后的原材料放入马弗炉中碳化。温度设定范围为600℃，当温度达到设定值，保温碳化1.5h，完成后冷却置入石英舟中。将碳化后的原材料放入石英舟，设置好不锈钢管式炉温度为900℃和活化时间为1h，通入氮气。将管式炉设置为15 分钟后加热，以25℃/min 升至指定温度，将石英舟推入管式炉，当管式炉中温度达到900℃时通入水蒸气，水蒸气流量设定为2mL/min。保持活化1h。活化结束后等温度降至室温，取出。

水洗烘干用热实验用水将样品进行水洗，去除污染物。水洗后放置烘箱，温度设定为130℃烘干得到活性炭，称量。称取10mg 活性炭成品，加入5%聚四氟乙烯粘结剂，用搅拌棒搅拌至粘稠，均匀涂在泡沫镍上，在90℃真空环境下干燥36h，使用液力冲压机在10MPa 压力下冲压60s 成片。

2 测试

2.1 循环伏安测试

通过循环伏安测试可以表现材料的反应和可逆程度，图1 为在1m V/s 扫描速率下的循环伏安曲线，可以看出，活性炭的循环伏安曲线都具有典型的矩形电势窗口，说明模拟电容器具有良好的充放电可逆性，说明白果壳活性炭电极材料具有较好的电容特性和倍率性能。

恒电流充放电测试：恒电流充放电测试可以恒定的电流记录电位的变化情况。可根据以下公式计算电极材料比电容：

C 为比电容（F/g）；I 为放电电流（A）；△t 为放电时间（s）；m 为电极材料中活性炭质量（g）。

图1 循环伏安曲线

表1 不同电流密度下电极材料的比电容

循环充放电测试对活性炭电极材料是否可逆具有重要的参考价值。图2 为50m A/g 电流密度下成品电极材料的1000次循环充放电测试。由图2 可知，在0～200 次循环测试中成品电极材料比电容下降趋势较快，在200～1000 次循环充放电测试中成品电极材料比电容缓慢下降但下降趋势逐渐平稳，且经过1000 次循环后，白果壳活性炭电极材料比容保持率为85.9%，说明通过白果壳备制活性炭电极材料可逆性能比较可观。

图2 50m A/g 电流密度下白果壳活性炭电极材料的 1000 次循环充放电测试

3 结论

本实验主要研究了利用白果壳是否能备制出理想活性炭作为电极材料，并对其进行电化学性能分析，得出以下结论：

（1）白果壳作为碳源，备制工艺条件为：碳化温度为600℃，碳化时间为1.5h，活化温度为900℃，活化时间1h，水蒸气流量2mL/min。在该工艺条件下白果壳活性炭得率为23.22%，比表面积为1103.54m2/g。

（2）在50m A/g 电流密度下，白果壳活性炭经1000 次循环后电容保持率为85.9%，是一种较为理想的电极材料。

（3）传统物理活化法较于化学活化法备制活性炭虽然应用广泛，成本低廉，对环境污染小，制作要求较低，但在碳得率以及电化学性能方面任低于化学活化法。