可可壳活性炭电极厚度对超级电容器电化学性能的影响机制研究

本研究针对生物质电极材料结构优化难题，创新性地通过调控可可壳活性炭电极厚度（0.4-0.6 mm），系统探究其对超级电容器性能的影响。采用KOH化学活化与CO2物理活化协同策略，获得比表面积达360.290 m2/g的电极材料。最优0.5 mm电极展现出412.94 F/g比电容和2678.53 W/kg功率密度，为农业废弃物高值化利用提供新思路。

　　

随着全球能源危机加剧和环境问题凸显，开发高效、可持续的储能技术成为当务之急。超级电容器（Supercapacitor）因其快速充放电、高功率密度和长循环寿命等优势备受关注，但其能量密度不足仍是制约发展的瓶颈。电极材料作为核心组件，其结构设计直接影响器件性能。传统商业活性炭成本高昂且依赖化石原料，而农业废弃物转化制备电极材料既能实现资源循环利用，又能降低生产成本。可可壳作为全球第三大可可生产国印度尼西亚的主要农业废弃物，含有36.47%纤维素和60.67%木质素等高碳组分，极具开发潜力。然而，现有研究多聚焦于活化剂浓度、温度等参数调控，对电极厚度这一关键结构因素的系统研究尚属空白。

为探究电极厚度对性能的影响机制，Yuli Yetri团队在《Results in Engineering》发表最新成果。研究通过液压成型（8吨压力）制备不同厚度（0.4/0.5/0.6 mm）电极，结合N₂碳化（600°C）和CO₂活化（700°C）工艺，采用两电极体系在1M KOH电解液中测试电化学性能。关键技术包括：扫描电镜（SEM）表征多级孔结构、X射线衍射（XRD）分析微晶参数、循环伏安法（CV）和恒流充放电（GCD）测试电化学性能，以及BET法测定比表面积。

【3.1 可可壳活性炭制备】

干燥预处理使水分从78.01%降至12.32%，碳化过程质量收缩率达85%。植物化学分析证实可可壳含黄酮类、酚类等有机化合物，为高碳含量提供基础。

【3.2 密度分析】

碳化活化后密度从0.87 g/cm³降至0.57 g/cm³，收缩率35%显著高于椰壳（12.5%）等材料，归因于KOH对碳链的刻蚀作用形成丰富孔隙。

【3.3 SEM分析】

20,000倍电镜显示分级多孔结构，微孔-介孔-大孔协同分布。BET证实比表面积达360.290 m²/g，满足商业活性炭（300-4000 m²/g）标准。

【3.4 XRD分析】

在23.35°和42.62°出现宽衍射峰，表明非晶态特征。微晶层距d₀₀₂（3.806 ?）大于石墨（3.354 ?），有利于离子快速嵌入。

【3.6 CV测试】

0.5 mm电极在1 mV/s扫描速率下呈现近矩形曲线，比电容达185.49 F/g，优于其他厚度样品。高扫描速率下电容保持率下降，反映孔隙离子扩散动力学限制。

【3.7 GCD测试】

0.5 mm电极展现最长充放电时间，在1 A/g电流密度下比电容达412.94 F/g，能量密度743.29 Wh/kg，功率密度2678.53 W/kg，电阻仅98 mΩ。

该研究首次阐明电极厚度对可可壳活性炭性能的调控规律：0.5 mm厚度既能保证足够活性物质负载，又确保离子快速传输。过薄电极（0.4 mm）活性物质不足，过厚（0.6 mm）则增加内阻。创新性地将农业废弃物转化为高性能电极材料，比电容较常规生物质炭提升30%以上。研究成果为设计低成本、可持续的储能器件提供重要参考，对推动循环经济发展具有双重意义。未来研究可进一步优化孔结构定向调控工艺，探索工业化生产路径。