碳?xì)饽z是Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)開(kāi)發(fā)的一類(lèi)特殊類(lèi)型的氣凝膠(充氣泡沫)。氣凝膠固體基質(zhì)由相互關(guān)聯(lián)的膠體狀碳顆?;蚓酆衔锾兼溄M成,由預(yù)制體制劑和加工條件決定。

碳?xì)饽z通常由間苯二酚和甲醛的溶膠-凝膠聚合形成,然后通過(guò)超臨界或蒸發(fā)干燥,隨后在惰性氣氛中高溫?zé)峤狻Ec通常是絕緣的所有其它類(lèi)型的有機(jī)和無(wú)機(jī)氣凝膠相反,所得碳?xì)饽z是導(dǎo)電的。碳?xì)饽z可以制成單塊,復(fù)合材料,薄膜,粉末或微球。

在過(guò)去幾十年中,碳?xì)饽z的化學(xué)和物理性能得到了廣泛的研究。碳?xì)饽z的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)主要由三個(gè)因素控制:

(1)起始溶液中單體結(jié)構(gòu)單元(間苯二酚)與催化劑(碳酸鈉)的摩爾比(R/C比);(2)熱解溫度;

(3)激活程序。

R/C比率影響間苯二酚-甲醛簇的數(shù)量及大小。在低R/C值(<100)時(shí),簇傾向于小顆粒增長(zhǎng)(<50A),并且存在高度的交聯(lián),導(dǎo)致高的表面積和更好的互連性。在大的R/C比下(如300),所得到的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于具有較少連接性的膠體顆粒(大簇>100A)串。

在相同的R/C比下,材料表現(xiàn)出類(lèi)似的粒度。氣凝膠的密度隨間二苯酚開(kāi)始的濃度而變化。在這些情況下,高密度材料的單位體積比其低密度材料簡(jiǎn)單地具有更多交聯(lián)的顆粒。這種獨(dú)特的特征保證了可以合成具有特別大的表面積(600m 2/g)的高密度電極材料(大約1.2g/cc)。這些性能對(duì)于在儲(chǔ)能裝置中實(shí)現(xiàn)每單位體積的大電容是必要的。

多孔碳?xì)饽z控制其結(jié)構(gòu)和性能的能力導(dǎo)致其作為先進(jìn)儲(chǔ)能裝置和電化學(xué)裝置中的電極材料的使用量的增加??諝怆娙萜骱碗娢焦に?,包括碳?xì)饽z電容去離子(CDI)的工藝都已經(jīng)成功被開(kāi)發(fā)。

研究人員開(kāi)發(fā)了薄碳?xì)饽z/碳紙復(fù)合材料,用于電化學(xué)雙層電容器和電吸附工藝實(shí)驗(yàn)。多孔和薄電極結(jié)構(gòu)改善了離子傳輸并降低了歐姆電阻。通過(guò)將間苯二酚-甲醛(RF)溶液浸漬到多孔商業(yè)碳紙中來(lái)合成復(fù)合材料。然后將這種RF/碳紙結(jié)構(gòu)在密封容器中的兩個(gè)玻璃板之間固化,防止蒸發(fā)。接著將固化的復(fù)合材料在丙酮中浸泡,隨后在室溫下干燥。最后,將RF/碳紙?jiān)诘獨(dú)夥障聼崽幚?小時(shí),以使間苯二酚-甲醛(RF)組分碳化。

這樣就制備了具有高密度(0.8g/cm3)和大的BET表面積(例如600m2/g)的薄電極。

雖然商業(yè)活性炭和活性炭纖維已經(jīng)顯示出較大的表面積(3000m2/g),但是它們的密度通常比較低(0.2g/cm 3)。因此,在體積相同的基礎(chǔ)上,碳?xì)饽z的BET表面積(500m2/cm3)與從最高表面積商品材料獲得的BET表面積相當(dāng)。同樣重要的是,氣凝膠的孔徑,孔徑分布和微觀組織對(duì)于雙層的形成比來(lái)自以商業(yè)化的更有利。氣凝膠中的孔體積分布顯示了平均孔徑約5nm(50A)的高斯分布行為,但是商業(yè)材料(即活化纖維)的孔徑分析顯示出其有很多具有小于1nm(10A)直徑的孔。

由于在這些小孔中不可能有雙層結(jié)構(gòu)形成,所以電化學(xué)活性(有用的)區(qū)域僅代表BET表面積的一小部分。

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