近年来超级电容器作为一种储能装置备受关注，传统电极材料大多存在对环境有害、电荷储备性能较差的问题，因此开发一种能够快速充放电、绿色、环保友好的电极材料迫在眉睫。研究选取木质炭、菊花炭、钢炭（碳化炉烧）、竹炭和钢炭（土窑烧）5种木、竹基碳材料，制备成木竹基电极，测试他们的电化学性能。结果表明，竹炭制成的竹基电极面积比电容可达2432mF/c㎡，具有较好的倍率性能，相比其他材料是最具发展潜力的木竹基电极材料。


随着人口增加和城市化速度的加快，世界范围内的能源需求快速增长。而随着新能源的出现，迫切需要探索无时间和地点限制、可快速充放电的储能装置，例如锂离子电池、水系电池和超级电容器等均是当前较好的储能装置。其中超级电容器作为近年来新兴的储能装置，凭借着寿命长、功率密度大、工作温度限制宽和良好的安全性等特点，成为当前新能源汽车市场的“潜力股”。影响碳材料电容性能的因素有多种，如比表面积、孔径分布、表面官能团、内阻和灰分等，这些因素都与电极材料的结构相关。


木、竹材作为一种具有各向异性、可再生的生物质材料，不仅具有分层的孔隙结构，其孔径和数量可控，比表面积较大，而且该结构还有利于加载活性材料，加速电子和离子的传输。目前有关碳电极材料的研究主要集中在开发具有较高比容量、低质量载荷的粉末状电极方面，但这种薄电极材料难以适应高质量载荷的实际应用，并且由于集流体、导电剂和粘合剂等非活性材料层的存在，使得活性电极材料的性能较差。相比之下，木基电极的结构设计不仅优化了电极本身的结构，减轻了这些材料的限制，而且增加了电极的能量密度。


以木材衍生物作为储能材料的研究，目前已经取得了许多重要成果。Yan等通过碳化和低成本活化，设计了一种恶劣条件下的木基厚碳电极超级电容器，该电极具有超高的快速充放电速率、5万次循环寿命和超低温范围，并且该碳化炉在恶劣环境中的使用寿命极长，经过7万次循环后，电容保留率在90%以上。当前对木基电极的研究较为广泛，而对以竹材为基底的竹基碳电极材料研究相对较少，仍处于起步阶段。相比与木质材料，我国竹类植物资源丰富，竹子具有生长快、更新迅速、可持续经营利用等特点，是适合于当前加工制造的木质资源，是受到政府鼓励的碳化材料。为探究竹基碳电极在超级电容器中的应用，采用1种竹基碳材料与4种不同的木基碳材料进行电极制备，在分析相关孔隙结构及比表面积的基础上，比较不同木、竹基碳电极的电化学性能，以期为竹基超级电容器的研发奠定基础。


1材料与方法


1.1试验材料

选择木质炭、菊花炭、钢炭（碳化炉烧）、竹炭、以及钢炭（土窑烧）5种木、竹基碳材料作为电极。具体碳化参数及来源见表1。

表1试验原材料基本情况注：灰分含量通过煤工业分析仪分析得出。


1.2试验设备

电化学工作站（辰华760e）、立式木工带锯机（MJMJ345EⅡ）、研磨仪（SCIENTZ-48）、电解杯（C002型）、铂电极、汞-氯化汞电极、电脑。


1.3试验方法

1）木竹基电极片制备。将木质炭、菊花炭、钢炭（碳化炉烧）、竹炭以及钢炭（土窑烧）5种碳材料，通过立式木工带锯机沿纵向切割成1 mm厚的薄片，再将其修整为1 cm×1 cm幅面的碳片，并用吸耳球吹去表面的杂质，得到木竹基碳电极。2）电化学性能测试。采用标准的三电极测试系统。将制备好的薄碳片作为工作电极，铂片（Pt）电极为对电极，将3 mol/L的电解液（KOH溶液）倒入电解杯中，至刚好没过电极片的位置。然后将2个电极平行放至电解液中，并将银-氯化银电极放至2个电极中间作为参比电极。分别对5种碳材料进行活化测试、恒电流充放电（GCD）、循环伏安扫描（CV）和交流阻抗测试（EIS）。3）碳材料面积比电容计算。材料的面积比电容通过恒流放电曲线计算，计算公式为：C=ρΔt/ΔU。式中：C为面积比电容，mF/cm2；ρ为电流密度，mA/cm2；Δt为放电时间，S；ΔU为放电电势窗口，V。