2025年电容器行业技术分析：新型电极材料研发成为提升电容器性能关键
一、电容器行业现状与材料研发需求
随着贵州白酒产量大幅增长，酿酒剩余污泥引发的环境污染问题日益凸显。酱香型白酒剩余污泥富含高有机质和氮，虽具备资源化利用潜力，但现有处置技术难以实现高效利用与高值转化。与此同时，超级电容器凭借功率密度大、充放电快和循环寿命长等优势，在新能源领域备受关注。其性能核心取决于电极材料的比表面积、导电性及表面化学特性。生物炭材料因价格低廉、比表面积高、孔隙结构和表面化学性质可调，成为理想电极材料，但未经改性的生物炭孔隙度和电化学活性不足，需进一步改性。杂原子掺杂可优化生物炭物理化学性质，提升电容器性能，然而目前利用酿酒剩余污泥制备高性能电容器材料的研究尚属空白。
二、N/S 双掺杂生物炭材料制备实验设计
2.1 实验试剂、材料及仪器
实验选用贵州珍酒酿酒有限公司的酿酒剩余污泥，以及硫脲、K₂CO₃、HCl 等试剂，且均未进行二次处理。采用 EVO 型全自动比表面及孔隙度分析仪、K-Alpha 型 X 射线光电子能谱仪、DXR2i 型拉曼光谱仪和 CHI760E 型电化学工作站等仪器设备。
2.2 材料制备方法
将酿酒剩余污泥经 105℃恒温干燥、研磨、过 80 目筛后，于 400℃ Ar 气氛下热解 2h。取 3g 生物炭与 6mL 10% 硫脲溶液混合，加水后分别加入 0、3、6、9g K₂CO₃作为活化剂，搅拌均匀，80℃烘干，再于 700℃ Ar 气氛下热解 4h，经稀 HCl 和纯净水洗至中性，60℃真空干燥，样品命名为 N.S/BC-700-n(n 为生物炭与 K₂CO₃质量比，n=1,2,3,4)。
2.3 材料表征与电化学性能测试
运用全自动比表面及孔隙度分析仪分析材料比表面积及孔径，X 射线光电子能谱仪分析表面元素化学信息，拉曼光谱仪表征样品缺陷位点。将制备的 NS 双掺杂生物炭材料、乙炔黑、PVDEF 按质量比 8:1:1 混合，以 N - 甲基 - 2 - 吡咯烷酮为溶剂，涂覆在集电器上，构建三电极体系，在 CHI760E 型电化学工作站上进行电化学测试，通过特定公式计算质量比电容。
三、活化剂比例对电容器用生物炭材料的影响
从不同活化剂比例制备的 N/S 双掺杂生物炭材料的 BET 图可知，材料符合 IV 型等温线特征，存在大量介孔，高压区吸附量急剧增加，表明还有大孔，这些孔结构为超级电容器提供了有利的离子传输和扩散途径。相关数据显示，加入硫脲后材料比表面积增大，随着生物炭与 K₂CO₃质量比增加，比表面积先增后减，质量比为 2 时达到最大值 234.2m²・g⁻¹，平均孔径为 4.5mm。
拉曼光谱图表明，在 1350cm⁻¹ 和 1585cm⁻¹ 处的 D 峰和 G 峰分别代表材料的缺陷程度和石墨化程度。不同样品的 ID/IG 值不同，其中 N,S/BC-700-2 的 ID/IG 值最大，说明其缺陷程度相对较高，而缺陷位点能为超级电容器提供反应活性位点，因此确定最佳生物炭与 K₂CO₃质量比为 2。
四、生物炭材料的 XPS 表征分析
原始污泥生物炭的 XPS 图显示，C1s 在 284.8、286.4、288.7eV 处出现 3 个峰，对应 C=C、C-O、C=N;N1s 在 398.6、400.3eV 处的峰对应吡啶 N、吡咯 N，说明酿酒剩余污泥中有机氮含量较高，且热解时能自掺杂进入生物炭骨架结构。
N,S/BC-700-2 的 XPS 图表明，C1s 在 284.8、285.6、288.7 和 293.4eV 处出现 4 个峰，对应 C=C、C-N、C=N 和 π-π* 跃迁;N1s 在 398.1、400.3 和 402.3eV 处出现 3 个峰，对应吡啶 N、吡咯 N 和吡啶 - N - 氧化物;S2p 在 169.2、165.1 和 164.4eV 处出现 3 个峰，对应与碳结合的硫的氧化物和噻吩 S，证明 N 和 S 成功掺杂进入生物炭骨架。
五、N,S/BC-700-2 的电容器电化学性质探究
《2025-2031年中国电容器行业市场前景及趋势预测报告》指出，将原始污泥生物炭和 N,S/BC-700-2 作为电极测试材料构建三电极体系，在 6M KOH 水溶液中测试电化学性能。N,S/BC-700-2 的 GCD 曲线呈明显平台特征，属于法拉第赝电容主导的储能材料，在电流密度为 1A・g⁻¹ 时，其比电容为 201.2F・g⁻¹，远高于原始污泥生物炭的 31.8F・g⁻¹，这得益于其多孔结构、较大比表面积、更多缺陷位点以及 S 掺杂带来的导电性提升和法拉第反应。
在倍率性能测试中，电流密度从 1A・g⁻¹ 增加到 5A・g⁻¹ 时，N,S/BC-700-2 的电容量保持率为 74.3%。不同扫描速率下的 CV 曲线均表现出明显氧化还原峰，且随扫描速率增加，阳极峰和阴极峰向更大电位移动，呈现理想赝电容反应。在 1A・g⁻¹ 电流密度下循环 5000 次后，N,S/BC-700-2 的比电容保持率仍为 81.2%，良好的性能得益于杂原子掺杂及多孔结构的协同作用。
总结
本研究以酿酒剩余污泥为原料成功制备了 N/S 双掺杂生物炭材料，并深入研究了其对超级电容器性能的影响。实验结果表明，N 和 S 成功掺杂进入生物炭骨架，该材料在 1A・g⁻¹ 电流密度下比电容达 201.2F・g⁻¹，5A・g⁻¹ 时倍率性能保持 74.3%，5000 次循环后电容保持率为 81.2% 。这一研究成果为酿酒剩余污泥的资源化利用开辟了新途径，有效解决了酿酒行业环保和可持续发展的难题，也为电容器行业提供了一种具有成本优势和性能优势的新型电极材料，有望推动 2025 年电容器行业技术的进一步发展。
