活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭在鎳鎘電池中的應(yīng)用

　　鎳鎘(Ni-Cd)電池因其堅固耐用、在極端條件下性能可靠、循環(huán)壽命長而長期受到認可。然而，固有的缺點，如相對較低的能量密度、記憶效應(yīng)和與鎘毒性相關(guān)的問題，促使人們不斷努力提高它們的性能。本文綜述了活性炭在鎳鎘電池電極中的集成研究進展。由于其高表面積、優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性和多功能化學(xué)性質(zhì)，活性炭正成為一種有前景的添加劑，可以改善充放電動力學(xué)，減少極化效應(yīng)，并可能減輕鎳鎘系統(tǒng)中的記憶效應(yīng)。我們討論了這種混合方法的合成、電極設(shè)計、電化學(xué)性能增強以及挑戰(zhàn)和未來前景。

　　自20世紀初問世以來，鎳鎘電池因其堅固性和在惡劣條件下的性能而被廣泛應(yīng)用于從便攜式電子產(chǎn)品到航空航天和軍事系統(tǒng)的各種應(yīng)用中。盡管有這些優(yōu)點，但其相對較低的能量密度和眾所周知的“記憶效應(yīng)”促使人們對電極改性和新型復(fù)合結(jié)構(gòu)進行研究。

　　同時，活性炭已被證明在現(xiàn)代儲能中不可或缺，尤其是在超級電容器和先進電池中，這要歸功于其高孔隙率和大比表面積，這有助于快速電荷轉(zhuǎn)移并提供優(yōu)異的吸附特性。本文研究了活性炭提高鎳鎘電池電極性能和耐用性的潛力，并討論了其集成如何解決這種成熟電池化學(xué)的一些長期問題。

　　鎳鎘電池基礎(chǔ)

　　鎳鎘電池在堿性(通常是氫氧化鉀)電解質(zhì)中通過氧化鎳氫氧化物陰極和鎘陽極之間的可逆氧化還原反應(yīng)運行。現(xiàn)代鎳鎘電池中典型的“果凍卷”電極配置最大限度地提高了活性表面積，這對快速動力學(xué)和高電流輸出至關(guān)重要。然而，由于記憶效應(yīng)(局部放電循環(huán)可能導(dǎo)致有效容量降低)和與鎘相關(guān)的環(huán)境問題等限制，需要改進電極結(jié)構(gòu)。

　　活性炭的性質(zhì)

　　活性炭的特點是：

　　高表面積和孔隙率：增強活性材料和電解質(zhì)之間的接觸。

　　優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性：有助于電極內(nèi)的高效電子傳輸。

　　化學(xué)穩(wěn)定性：可承受鎳鎘電池典型的堿性環(huán)境。

　　吸附能力：可以在過度充電期間隔離雜質(zhì)或釋放的氣體，從而可能緩解記憶效應(yīng)等問題。

　　這些特性使活性炭成為儲能裝置的標(biāo)準組件，特別是在超級電容器和混合電池系統(tǒng)中。

　　活性炭在鎳鎘電池中的集成

　　電極設(shè)計和復(fù)合材料形成

　　將活性炭結(jié)合到鎳鎘電極中可以通過幾種策略來實現(xiàn)：

　　復(fù)合電極：將活性炭與傳統(tǒng)的氫氧化鎳或鎘基活性材料混合可以改善電子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。活性炭的多孔結(jié)構(gòu)增加了有效表面積，促進了更快的氧化還原動力學(xué)。

　　粘合劑和導(dǎo)電添加劑：活性炭可以同時作為粘合劑替代品和導(dǎo)電添加劑，降低內(nèi)阻，增強活性材料的均勻分布。

　　混合電極：已經(jīng)提出了結(jié)合電池和電容器特性的新型架構(gòu)(所謂的電池-電容器混合體)。這些混合電極利用活性炭的快速電荷存儲來支持高功率應(yīng)用，而傳統(tǒng)的法拉第工藝則提供能量密度。

　　性能增強機制

　　活性炭的集成被認為可以通過多種機制提高鎳鎘電池的性能：

　　增強電子傳輸：活性炭顆粒形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以降低整體內(nèi)阻，從而提高充放電速率。

　　增加電化學(xué)活性面積：多孔基質(zhì)允許更好地滲透電解質(zhì)，確保更多的活性位點參與氧化還原反應(yīng)。

　　記憶效應(yīng)的緩解：通過吸附副產(chǎn)物和緩沖局部離子濃度的快速變化，活性炭可能有助于緩解傳統(tǒng)鎳鎘系統(tǒng)中觀察到的記憶效應(yīng)。

　　熱管理：其高表面積也有助于分散高速充電/放電循環(huán)過程中產(chǎn)生的熱量，從而可能延長電池壽命。

　　實驗考慮和初步結(jié)果

　　初步研究表明，與傳統(tǒng)配方相比，含有活性炭的電極在速率能力和循環(huán)穩(wěn)定性方面有所提高。關(guān)鍵實驗參數(shù)包括：

　　活性炭負載：需要優(yōu)化以平衡電導(dǎo)率和表面積增加的好處與整體能量密度的可能降低。

　　粒徑和表面化學(xué)：調(diào)整活性炭的孔結(jié)構(gòu)和表面官能團可以進一步增強與鎳鎘電極材料的相容性。

　　復(fù)合材料制造技術(shù)：已經(jīng)探索了漿料澆注和原位聚合等方法，以確保活性炭在電極基質(zhì)中的均勻分布。

　　雖然詳細的定量性能數(shù)據(jù)仍在不斷涌現(xiàn)，但早期循環(huán)測試表明，混合電極的極化損耗較低，大電流放電性能得到改善。

　　挑戰(zhàn)和未來前景

　　盡管前景光明，但仍存在一些挑戰(zhàn)：

　　復(fù)合材料比的優(yōu)化：確定活性炭與傳統(tǒng)活性材料的理想比例對于最大化容量和功率密度至關(guān)重要。

　　長期穩(wěn)定性：活性炭在鎳鎘電池堿性環(huán)境中的長期化學(xué)和機械穩(wěn)定性需要進一步評估。

　　成本效益分析：雖然活性炭相對便宜，但它的加入必須導(dǎo)致整體電池性能和壽命的凈改善，以證明任何增加的處理復(fù)雜性都是合理的。

　　環(huán)境影響：除了性能提升外，活性炭還可以在改善鎳鎘電池的回收和再利用過程中發(fā)揮作用，考慮到與鎘相關(guān)的環(huán)境問題，這一點很重要。

　　未來的研究應(yīng)側(cè)重于先進的表征技術(shù)(如原位光譜和電子顯微鏡)，以闡明這些復(fù)合電極中的界面現(xiàn)象，并優(yōu)化可擴展生產(chǎn)的制造方法。

　　將活性炭摻入鎳鎘電池電極為克服傳統(tǒng)鎳鎘技術(shù)固有的幾個局限性提供了一種有前景的策略。通過提高導(dǎo)電性、增加活性表面積并可能減輕記憶效應(yīng)，活性炭基復(fù)合材料可以提高倍率性能、循環(huán)壽命和整體性能。在這一領(lǐng)域的持續(xù)研究不僅可以延長鎳鎘電池在利基應(yīng)用中的使用壽命，還可以為下一代混合儲能系統(tǒng)的開發(fā)提供有價值的見解。

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