用于通过电激活生产高活性电极的工艺的制作方法

用于通过电激活生产高活性电极的工艺
1.背景
2.1、对相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2019年3月29日提交且指定的序列号为62/826038的题为“用于通过电激活生产高活性电极的工艺”的临时专利申请的优先权。前述临时申请的全部内容通过引用并入本文。
2、技术领域
4.本公开描述了一种利用施加的电势和电流处理电极材料以诱导电极的电解处理的方法。
3、

背景技术：

5.随着替代能源、可再生能源和电动汽车越来越普及，现有的储能技术不足，除非找到新的储能解决方案，否则将继续无法满足日益增长的对吸收、储存和快速输送电能的需求。一个主要关注点是用于可充电电池的锂基化学。这些电池通过化学反应来储存电能。反应缓慢并产生热量，这会导致固有的能量损失。在大多数电池实施例中，一个电极具有显著的碳组成。另一个电极的效能是其表面积和孔体积的函数，其中为电化学反应提供分子位置，从而使电荷能量储存得以发生。
6.超级电容器通过静电机制储存电能，而不是电池中的化学反应。因此，超级电容器中的电荷储存机制不受化学反应的速率限制。超级电容器优越的电荷储存能力是孔体积和表面积的函数。超级电容器通过离子传输和吸引到电极上电荷存储位置的能量存储机制在现有技术中受到限制，因为电极形态应用于支撑构件(箔、膜、隔板等)，对于给定数量的电极材料其形成整个超级电容器设备组件中的“封装开销”。现有超级电容器技术中该电极层的局限性在于电极的厚度(因为它位于电荷收集器金属箔和非导电隔膜之间)，以及电极的通道、壁和孔内的总表面积。
7.这些电极通常由导电活性炭制成。用于电极的其他材料采用高度科学和昂贵的工程材料，例如碳纳米管、富勒烯、“巴克球”和其他此类网格和网状分子结构，以增加电极的孔、壁和通道内的可用表面积。
8.尽管超级电容器比标准电容器储存的电能多得多，但它们通常比锂基电池储存的电能少几个数量级。由于超级电容器中没有电池中的化学反应，因此超级电容器的充放电能量的速度比电池快几个数量级。根据传统技术，电池和超级电容器之间的电存储性能比较成为一种权衡。
9.如上所述，需要克服存储容量和放电率之间的固有权衡的系统/方法。


技术实现要素：

10.本公开提供了一种有利的电解处理，根据该处理，在含水(水)电解槽条件下，水(h2o)在电极孔的外表面和内表面处分解，以形成氢气(h2)和氧气(o2)，其从碳质电极孔逸
出进入槽中，并将松散材料(碳质和其他杂质)从电极孔内部向外排出。气体的这种向外逸出起到孔生成和孔扩张处理的作用，从而最初激活或进一步激活电极。
11.此外，产生氢、氧和相关溶质分子物质(h3o

、h

、oh
‑
等)的水电解环境也与碳质电极材料发生动力学反应和电化学反应，并去除不需要的化合物，从而进一步激活电极。通过控制在所公开的处理中施加的电压窗口，可以选择性地控制动力学驱动反应和电化学驱动反应，以从电极去除不需要的材料，并且不影响或最小程度地影响电极的基础碳结构和材料。此外，通过在电解质溶液中添加其他溶质、盐、酸和碱可以控制、增强和修改这些电化学驱动和动力学驱动的清洁反应。
12.另外，所公开的碳质电极的电解处理生长出有利的纳米结构，其是电极表面上和电极的通道和孔中的电沉积电镀材料，当电极用于双电层电容器、超级电容器、伪电容器、电池或燃料电池作为电极，或作为任何其他吸附或吸附
‑
解吸功能，或作为基于水电解的氢气和氧气发生器中的电极时，这增加了表面积，从而增加了能量存储能力。
13.所公开的系统和方法的附加特征、功能和益处将从下面的描述中显而易见。
附图说明
14.为了帮助本领域普通技术人员制作和使用所公开的系统/方法，参考附图，其中：
15.图1a至图1d示意性地描绘了根据本公开的示例性电化学设置；
16.图2a
‑
2b为未经处理的与处理过的碳质生物炭电极晶片的sem图像；
17.图3提供了四(4)个sem图像，其描绘了通过本文公开的电解激活方法处理的电极内部的相同区域的渐进放大；以及
18.图4提供了在不同放大倍率下未经处理的单片碳质生物炭电极的相同区域的两(2)个sem图像，其揭示了不存在由所公开的方法另外产生的优先结构；以及
19.图5提供了在不同放大倍率下处理过的单片碳质生物炭电极的相同区域的两(2)个sem图像。
具体实施方式
20.●
对附图的讨论：
21.参考图1a中示意性描述的示例性设置，以下组件被标识为：
22.100：用于实施用于通过电激活处理单对电极的所公开的方法的整体装置设置
23.105：dc电源，以下称为电源(在示例性实施方式中，dc电源是tekpower型号tp3005t dc电源)
24.106：电源(105)的电压输出和安培数电流输出的数字显示
25.107：电源(105)的电压输出调整。
26.108：电源(105)的安培数输出调整。
27.109：电源(105)的正电压端子
28.110：电源(105)的负电压端子
29.111：电压极性反转设备(112)的刺激输入；刺激可源自电压极性反转设备(112)内部或电压极性反转设备(112)外部
30.112：电压极性反转设备，使得当观察或测量设备(112)相对于设备输入极性的输
出极性端子“a”和“b”时，直接输出极性和反向输出极性的两种不同状态是可能的，并且这种设备具有由机械电刺激(111)(例如定时设备，例如手动操作)引起的极性转换激活。(112)的输出端子被标记为a和b，其中，当电压极性反转设备(112)处于初始或静止状态(未被(111)操纵或未被(111)刺激)时，“a”端子提供正电压电势并且“b”端子提供来自dc电源(105)的负电压电势。此外，当电压极性反转设备(112)处于激活状态(由(111)操纵或由(111)刺激)并且设备(112)执行其电压极性反转功能时，“b”端子提供正电压电势并且“a”端子提供来自dc电源(105)的负电压电势。
31.115：描绘整体装置(100)的特定区域的图解图形区域，其中，所描绘的区域在展开视图中被进一步放大以用于细节和注释，在(100)的右侧区域中示出，并且其中，缩放视图区域被描述为(116)。
32.116：用于展开视图和描绘的图解图形区域提供了(115)中所示装置的更多细节。(116)中的细节进一步描述了当电压极性反转设备(112)处于静止位置且未受(111)刺激时，电极(150)和(151)以及紧固件夹(125)和(135)处于极化状态，从而向紧固件夹(125)和电极(150)提供正电压，并且向紧固件夹(135)和电极(151)提供负电压。
33.120：从电源(105)正极端子(109)到电压极性转换设备(112)的正电压输入的正电压导线。
34.125：固定“a”极性电极(150)的组件的“a”电压导电紧固件夹。观察到导电线(120)和导电紧固件夹(125)均未与电解质(142)接触。
35.130：从电源(105)负极端子(110)到电压极性转换设备(112)的负电压输入的负电压导线。
36.135：固定“b”极性电极(151)的组件的“b”电压导电紧固件夹。观察到导电线(130)和导电紧固件夹(135)均未与电解质(142)接触。
37.140：由非导电材料制成的电解槽容器。
38.142：电解槽容器(140)中的电解质液体。
39.145：在电极(150)和电极(151)之间通过电解质液体(142)发生的水电解的基本电化学反应的注释。
40.146：在水电解(145)期间形成的带负电荷的离子被吸引到本文描述为(150)的正极性电极，应理解为由于电压极性反转设备(112)处于未受刺激状态，所以(150)被显示为正极性电极。
41.147：在水电解(145)期间形成的带正电荷的离子被吸引到负极性电极(151)，应理解为由于电压极性反转设备(112)处于未受刺激状态，所以(151)被显示为负极性电极。
42.150：“a”极性单片生物炭电极根据所公开的实施例经受电激活。
43.151：“b”极性单片生物炭电极根据所公开的实施例经受电激活。
44.关于图1b
–
45.参考图1b中示意性描述的示例性设置，以下组件被标识为：
46.160：用于实施用于通过电激活处理多对电极(150)、(151)的所公开的方法的整体装置设置，每个紧固件夹比图1a中所示的更大或更长，以便固定每个极性的一个以上电极，限制是仅能使用每个极性“a”、“b”的一个紧固件夹。
47.关于图1c
–
48.参考图1c中示意性描述的示例性设置，以下组件被标识为：
49.180：用于实施用于通过电激活处理多对电极的所公开的方法的整体装置设置，每个紧固件夹比图1a中所示的更大或更长，以便固定每个极性的一个以上电极，扩展为使用每个极性的多个紧固件夹，并且其中，每个平行紧固件夹的布置使得所分配的极性沿着该布置从一个紧固件夹轨道交替到下一个紧固件夹轨道。
50.关于图1d
–
51.参考图1d中示意性描述的示例性设置，以下组件被标识为：
52.190：用于实施用于通过电激活处理单对电极的所公开的方法的整体装置设置，其中，电极可能具有显著的尺寸和重量，使得仅导电紧固件夹可能不足以支撑和固定浸入槽中的电极，因此需要额外的支撑件(191)。
53.191：附加的非导电材料的支撑设备为电极提供机械支撑，否则电极悬挂在导电紧固件夹上，这种支撑件(191)的添加从而防止电极因重力应力而断裂。支撑件(191)进一步连接到其他外部支撑设备(未示出)以协助将电极(150)、(151)悬挂在电解槽(140)中。
54.参考图2a和图2b中示意性描述的流程图，这些图显示了两个类似电极的扫描电子显微镜(以下称为sem)图像，每个电极均通过本文公开的不同方法进行激活处理。
55.关于图2a
–
56.200：其中sem图像的整体描述显示了由本文公开的处理产生的单片碳质生物炭电极材料的表面和内部主体的放大图像。图200显示了所公开的碳质生物炭单片晶片(210)。
57.210：已通过普通蒸汽
‑
碳反应激活的单片碳质生物炭电极材料的结果的sem图像，该材料在高温炉中通过可选的蒸汽激活步骤进行处理。
58.211：突出显示sem屏幕图像(210)的图形注释显示了与10微米长度尺寸的屏幕图像相关的相对比例。
59.212：来自sem的数据在sem屏幕图像(210)上指示1320倍的图像放大倍率。
60.关于图2b—
61.250：参照250显示了所公开的碳质生物炭单片晶片(260)的sem图像。其中sem图像的整体描述显示了由该实施例中公开的处理产生的单片碳质生物炭电极材料的表面和内部主体的放大图像。
62.260：已通过公开的电解
‑
激活步骤激活的单片碳质生物炭电极材料的结果的sem图像。260表面的明显“模糊”相对于没有“模糊”的210表面是显然的，这种可观察到的“模糊”是碳的优先纳米结构和微结构的生长，具体是由于通过所公开的方法的处理而镀到单片生物炭孔表面上的石墨烯和石墨结构。
63.261：突出显示sem屏幕图像(260)的图形注释显示了与10微米长度尺寸的屏幕图像相关的相对比例。
64.262：来自sem的数据在sem屏幕图像(260)上指示1000倍的图像放大倍率。
65.关于图3，提供了一种电解碳质单片生物炭晶片电极，其显示优先石墨烯和石墨结构的生长，以获得优异的表面积改善，从而显著增加电容。这些石墨烯和石墨结构是由于所公开的方法通过对生物炭进行处理而产生的。
66.300：四(4)个sem图像的整体集合，其描绘了通过本文公开的电解
‑
激活方法处理的电极内部的相同区域的渐进放大。
67.310：在1000倍放大倍率下观察，已通过所公开的方法处理的所公开的单片碳质生物炭电极的孔和通道的内部结构的sem图像。此外，图形描绘(黑框和箭头)指示随后在320中示出的用于进一步放大的缩放区域。此外，在sem屏幕截图上突出显示sem图像相对尺寸的图形描绘(黑色圆圈)，显示了相对于sem屏幕图像的10微米的参考长度。注意，在图像310中，优先石墨烯和石墨自组装片晶和结构仅在处理过的生物炭图像上表现为模糊表面。
68.320：在5000倍放大倍率下观察，已通过所公开的方法处理的所公开的单片碳质生物炭电极的孔和通道的内部结构的sem图像。此外图形描绘(黑框和箭头)指示随后在330中示出的用于进一步放大的缩放区域。此外，在sem屏幕截图上突出显示sem图像相对尺寸的图形描绘(黑色圆圈)，显示了相对于sem屏幕图像的1微米的参考长度。注意，在图像320中，优先石墨烯和石墨自组装片晶和结构仅在处理过的生物炭图像上表现为模糊表面。
69.330：在20000倍放大倍率下观察，已通过所公开的方法处理的所公开的单片碳质生物炭电极的孔和通道的内部结构的sem图像。此外，图形描绘(黑框和箭头)指示随后在340中示出的用于进一步放大的缩放区域。此外，在sem屏幕截图上突出显示sem图像相对尺寸的图形描绘(黑色圆圈)，显示了相对于sem屏幕图像的1微米的参考长度。注意，在图像330中，优先石墨烯和石墨自组装片晶和结构在sem图像中清晰可见，并且可以在处理过的生物炭表面上被识别。
70.340：在84740倍放大倍率下观察，已通过所公开的方法处理的所公开的单片碳质生物炭电极的孔和通道的内部结构的sem图像。此外，在sem屏幕截图上突出显示sem图像相对尺寸的图形描绘(黑色圆圈)，显示了相对于sem屏幕图像的100纳米的参考长度。注意，在图像340中，优先石墨烯和石墨自组装片晶和结构在sem图像中清晰可见，并且可以在处理过的生物炭表面上被识别。此外，该图像表明在实施所公开的方法期间析出溶液的碳质结构是单层和几层石墨烯的薄且平或弯曲的片晶，其已经通过sem系统的元素分析特征进行了额外测试。
71.关于图4：
72.400：在不同放大倍率下，未经处理的单片碳质生物炭电极的相同区域的并排的两个的sem图像(410)和(450)的参考。
73.410：放大500倍的碳质生物炭材料的未经处理的表面、孔和通道的sem图像。
74.411：sem屏幕图像的图形描绘(黑色圆圈)显示了相对于10微米的屏幕图像的尺寸长度。
75.450：放大10000倍的碳质生物炭材料的未经处理的表面、孔和通道的sem图像。
76.451：sem屏幕图像的图形描绘(黑色圆圈)显示了相对于1微米的屏幕图像的尺寸长度。
77.关于图5：
78.500：在不同放大倍率下，处理过的单片碳质生物炭电极的相同区域的并排的两个sem图像(510)和(520)的参考。
79.510：覆盖碳质生物炭材料的表面、孔和通道的优先生长和自组装的铁片和花瓣状结构的sem图像。
80.511：sem屏幕图像的图形描绘(黑色圆圈)显示了相对于1微米的屏幕图像的尺寸长度。
81.512：sem屏幕图像的图形描绘(黑色方框)显示了5000倍的放大倍率。
82.520：在比(510)更高的放大倍率下，覆盖碳质生物炭材料的表面、孔和通道的优先生长和自组装的铁片和花瓣状结构的sem图像。
83.521：sem屏幕图像的图形描绘(黑色圆圈)显示了相对于1微米的屏幕图像的尺寸长度。
84.522：sem屏幕图像的图形描绘(黑色方框)显示了20000倍的放大倍率。
85.●
方法和技术的总体概述，包括通用组件：
86.a)组件：所公开的发明包括单片结构的碳质独立式晶片电极、电解质溶液、电解处理槽、电源、极性反转转换设备，以及相关的布线和紧固件，以及可选的通风设备。
87.b)过程：所公开的发明在本文中被特别描述为独立式晶片电极的电解处理、电化学原理和物理布置。
88.○
优选具有分级孔和通道的活性炭、部分活性炭或非活性炭电极是使用网状技术合成，该技术如授予favetta等人的美国专利第9478324号和美国专利第10121563号，以及同时提交的临时申请62/826005(题为“用于超级电容器、伪电容器、电池或燃料电池的高度激活、单片网状生物质电极的生产方法”(其内容通过引用并入本文；统称为“favetta专利提交”))中所述，并使用本文所公开的方法，在受控电压电势(v)和直流电(dc)的外加电场下，在电解槽中进一步激活。
89.○
导电碳质单片生物炭电极被各自连接到单独的导电紧固件上，并浸入具有高于1.27伏外加电场的水盐电解槽中，其中，水电解开始，并且更具体地，高于最小约1.65伏或最小1.70伏，其中氢气和氧气生成开始并通过更高的电压曲线继续进行。只有电极材料浸入电解质水溶液中并湿润，而不是电流导体、金属紧固件、夹子和布线，以防止系统中通过紧固件的外露金属进入和穿过导电电解质溶液导致的短路。
90.○
在外加电压电势下，导电电极使水分解，从而分别在阴极碳质电极和阳极碳质电极上形成氢气(h2)和氧气(o2)。这些产生和排出的气体，以及在电极孔中发生的电化学反应和动力学反应是特别有利的。
91.●
电解槽说明
92.○
制备浓度为例如4至5摩尔、例如5至6摩尔或例如6至7摩尔的蒸馏水中的氢氧化钾水溶液(koh)的高浓度盐溶液电解质，并将其用作电解激活槽的环境。成对的部分激活的碳质单片生物炭电极用市场上可买到的导电紧固件(如鳄鱼夹)夹住，其包括添加一层薄的(0.004英寸厚)316不锈钢箔作为电流导体板实际接触电极，以避免鳄鱼夹夹伤和损坏单片碳质电极，并且此类箔进一步增加导体和每个单片碳质电极晶片的一部分之间的接触表面积，以及通过绝缘铜线连接到电源(105)和时间/周期继电器(112)的这种导电紧固件(见图1)。
93.○
电流导体夹可以是钛、铝或不锈钢，或任何其他导电材料，以保持dc电流流过系统，否则其可能会被金属导体紧固件、零件、夹和箔的某些腐蚀/氧化所抑制，其由这些金属部件接近电解质溶质/盐和实施例公开布置的流动电流而引起。此外，建议定期维护、打磨、抛光和清洁这些导电紧固件、箔、板和夹子，因为它们表面会形成腐蚀，从而产生电阻。当单片电极浸入在电解槽中以用于所公开的电解激活时，强烈建议循环施加到电极对的电压电势的极性，以便允许在两个电极上进行相等且一致的电解激活。这在本文中体现为如图1a
‑
1d所示的电压极性反转设备(112)。施加到电极的这种周期性电压反转更均匀地在电极对的两个极性方向上揭示了相关的气体排出和电化学反应；然而，在本发明的某些特定实施例下，如果电极对中的每个电极被设置为仅在一个极性下处理，而没有这种极性周期性反转，则可以导出对电极的某些其他有益效果。
94.○
循环时间也是所施加的实际电压电势和所产生的电流(dc特定功率)或总累积特定能量流的函数，因为情况可能是针对电极/碳质材料的激活和最终使用的各种期望的最终结果。成功的循环时间包括但不限于，每个极性2至4分钟，然后将电压极性和流经电极对的电流再反转2至4分钟，从而经历一个电压反转循环，以及在电极连接点处测得的至少大于2.0伏dc到不大于5.5伏dc的情况下，执行这种正
‑
负dc电压反转循环3至5个这样的完整循环，从而排除任何支撑或连接设备(例如电线和电极紧固件、夹具、箔和夹子)上的电压电势损失和电压降。
95.●
由本发明的电解槽处理引起的清洁动作/气体生成的讨论。
96.○
当1.23伏或更高的电压电势被施加到因存在自由离子(例如通过添加电解质盐、碱或酸)而导电的水中时，电流通过水溶液，并且电流将水分子(h2o)分解为氢离子(h

)和氢氧根离子(oh
‑
)。当电极之间的电压电势增加到大约1.65伏至1.7伏时，氢离子结合并形成氢气(h2)。同时，在这些电压条件下，解离的氢氧根离子重组，进一步解离和重组并形成氧气(o2)。这些(h2)和(o2)气体分子分别凝聚形成氢气泡和氧气泡。这种通过施加的电势和产生的电流水解并生成氢气和氧气的过程是通俗易懂的。为了形成这种溶液，通过添加解离盐、酸或碱来增强水的导电性，从而产生导电离子溶液，例如电解质。盐可以是任何此类水溶性盐；然而，盐的浓度必须足以实现所需的结果，并且盐的离子成分必须提供所需电极激活和产生的副产物形成的选择性。
97.○
此外，如果还需要在电极的通道和孔内的碳质电极支架上电镀的材料，如果将其他化合物添加到电解槽溶液中以单独实现这种可选的电镀到电极孔中的所需材料，则离子化合物必须实现这种沉积或不抑制这种沉积。
98.○
本文中的示例性实施例使用盐，例如所述的6摩尔氢氧化钾(水溶液)。带正电和带负电的自由基和离子分别被吸引到阴极和阳极表面，其中电子转移发生，并可以分别在负电位阴极电极和正电位阳极电极上重组形成氢气(h2)和氧气(o2)。
99.○
自由基、电解有机化合物和形成的气体也聚集在电极表面上以及多孔电极的孔和通道内。当达到临界气泡尺寸时，膨胀气泡的低密度导致它们生长并从电极孔和表面向外排出，并向上朝水槽电解质溶液的表面排出。这些气态蒸汽的排出携带着在激活电极的内部孔和通道内被困住的氧化污染物的松散颗粒，这提供了机械和化学清洁效果，并提供了第一级电解激活。
100.○
此外，这些膨胀气体还排出电解质水溶液和电极内发现的许多不同有机部分的其他有机化合物的混合物(最初形成于源生物质的之前和独立炭化过程中
‑
见favetta临时申请：序列号62/826005)，该混合物是不需要的并且存在于电极孔的表面，当用于电池、超级电容器、伪电容器或燃料电池时，这些部分对电极性能具有有害影响。这些部分不一定是独立的颗粒或溶质，也不一定只是作为松散的颗粒存在于电极的孔中。这些部分还可以是化学结合到电极的高纯度碳质结构上的化学官能团。在所有这些情况下，通过从所公开的处理中电化学分解成溶液或悬浮液，将这些部分和化合物从其与电极孔壁的结合化学粘附
中去除，然后通过如本文所述的液体溶液的气体驱动输送将其从电极孔中带出。。如果这些被去除和解离的部分是带电离子或自由基，则它们可以通过施加电压的电化学电势被额外驱动到溶液电解槽中。
101.○
此外，这些部分的自身电解的电压窗口低于期望电极材料的更纯净和结构化的碳质支架的电压窗口，这反过来导致电极的通道和孔的清洁效果。电极孔壁的这种电化学“擦洗”是由所公开的发明实现的电极的第二级激活。
102.○
在多次电解周期交变dc电压电势循环后，含水电解质溶液槽严重变暗证明了污染物的这种清洁和排出。电解槽溶液的典型着色是棕色的氧化有机物的颜色。在电势施加的第一个循环中可以观察到电解槽的一些着色。
103.○
内部孔和通道的清洁进一步增加了碳电极的活性和可用总表面积，从而大大增加了电极材料最终产品的电气和化学吸收能力。
104.○
在电解处理之前和所公开的电解处理之后，相同电极材料的性能改善的示例为3到4倍，并且当在超级电容器应用中测试时，在某些情况下高达20倍。这导致在通过所公开的方法进行电解处理后，未处理电极的标称值从每克10至40法拉增加到每克150至300法拉以上。
105.○
此外，在电极内的孔和通道中电解和动力学产生的自由基也在孔和通道的碳壁处以及在表面上与电极内的某些不太稳定的有机化合物发生电化学反应，然后溶解和去除不需要的有机化合物(例如焦油、低聚物、多糖和单糖)，其在电极由生物质来源的材料制成时会被形成。这种反应副产物同样从孔中排出并进入周围的水溶液中，进一步用棕色有机溶质和悬浮液使电解槽水溶液着色。
106.●
碳基纳米结构(石墨烯、多层石墨烯、石墨片等)的生长
107.○
碳基纳米结构的生长是由一些含碳的氧化和电解分子或颗粒通过槽溶液中解离水分子的电解“排气”和在阴极电极和阳极电极上新的碳结构的“电镀生长”而“释放”到电解槽溶液中引起的。用于这种碳质电镀和生长效应的碳化合物的来源来自于这些碳化合物，其通过包含这些含碳有机部分的周围水溶液以及它们在相反极性的电极之间存在的电压电势中的离子电荷被输送回电极孔和通道。
108.○
此外，一些含碳化学物质仅在电极孔的碳质壁处局部传输，并与孔内的惰性电解质反应，并还原、析出或直接结晶回到孔壁，以形成有利的结构(例如石墨烯和石墨枝晶)，从而当通过所公开的方法处理时，增加电极的表面积、导电性并显著增加电极的电存储能力。与系统电化学中产生的自由基反应的碳质电极中的有机化合物的这些其他副反应进一步提供碳物质，然后这些碳物质被还原回电极孔和通道的内壁表面，形成石墨烯状的结构和枝晶，以大大增加电化学激活的最终电极项目的表面积和导电性。
109.○
在电解激活的控制条件下，注意到使用扫描电子显微镜(sem)观察到“新”碳质结构的生长。这种新碳材料的电镀是由于松散的碳基颗粒的流动性/迁移以及解离的碳自由基被还原到电极的孔、内壁和表面的活性碳质位置上。
110.●
可通过使用在电解期间引入水溶液中的对电极或含金属盐来进行其他材料(例如金属)的电镀/生长。
111.○
金属化合物和结构的这种内含物可能需要调整电源dc电压，以考虑所需的金属的伽伐尼电势和半电池电势，以及对电极自身的第二电势电压控制，以适当地控制该对电
极在根据本发明的处理过的电极的孔和表面内电镀和形成有利结构的过程中的作用。
112.○
此处应注意，非碳质(金属)对电极可牺牲性地用于电镀碳电极的内孔、通道和壁(即，将金属原子从一个金属对电极转移并沉积到目标碳电极)。对电极的电流和电压不同电势将带电原子粒子或离子部分从对电极表面驱动到目标碳电极表面上，从而在碳电极的孔上和孔内形成金属部分和结构的薄且局部的镀层。根据目标应用(例如，电化学、伪电容、催化等)，这对于电镀碳电极可能具有有利和显著的效果。
113.○
所公开的方法用于将铁、锰和其他金属镀到电极的内孔表面上。结果表明，电极的电存储性能有所改善。根据本公开，进一步考虑了通过这种金属沉积方法的电极的其他吸收和解吸效应，以及其他应用，例如农业、化学吸附、催化、废物净化、废物吸收、气体或液体储存(例如氢气，例如天然气(甲烷)，例如燃料，例如从地质压裂(水力压裂)中回收矿物和石油的放射性污染物)。
114.●
使用除碱性koh(aq)、naoh(aq)等之外的替代电解质溶液。
115.○
槽溶液中的碱性化合物电解质(含有oh
‑
离子物质)用于导电以促进水电解，但也在电极表面的电化学中发挥作用，以催化所公开的效果产生有机自由基。其他非碱性电解质离子物质的存在进一步促进了这些有机或金属部分的还原，以沉积并电镀在电极内的孔和通道表面上，从而大大增强了这些电解处理的电极的特性和性能，以获得优异的导电性，以及电容性和伪电容性能。
116.●
处理的材料的增加电容。
117.○
处理过的电极(单片生物炭晶片)的法拉第电容通常增加20％至300％，并且在某些情况下大约增加2000％。在通过本文所公开的方法处理之前并通过favetta专利提交(通过引用并入本文)中所公开的方法生产的单片未经处理的生物炭电极表现出理想的电容，例如50至90法拉/克，例如90至120法拉/克，例如120至140法拉/克，以及例如高于140法拉/克，这取决于如favetta专利提交中进一步描述的所使用的生产过程的构想和实施例。这些都是非常理想的结果。在通过本文所公开的方法和系统进行电解处理后，当在超级电容器中使用时，相同处理的电极表现出超过150法拉/克且高达300法拉/克。
118.●
净成型晶片工艺说明
119.○
如favetta专利提交(之前通过引用并入)中所述，使用净成型工艺，然后高温炭化(同时进行可选化学激活或可选炭化后化学激活)，合成具有分级孔结构的高度多孔激活单片碳电极。
120.●
表面积对电容的重要性
121.○
超级电容器的法拉第电容与电极的表面积成正比，与电极之间的间距成反比；然而，电容和表面积的关系不一定是纯线性的。所公开的过程通过多个激活步骤(例如高温化学激活)和/或如本文所述的公开电解来增加电极的内表面积，以优化表面积，而不损害碳质生物炭单片电极晶片的结构完整性、机械稳定性和基本化学性质。
122.●
示例性过程实施方式
123.○
示例性公开的电化学装置由导电电解质(例如4至8摩尔氢氧化钾(koh)，例如1至3摩尔硫酸(h2so4)，或者例如中性盐(例如4至7摩尔氯化钾(kcl)))的溶剂槽组成。此外，槽中的电解质可以是金属盐，例如硝酸铁(fe(no3)3)或例如氢氧化铁(fe(oh)2)或锰盐(例如氯化锰(mncl2))，其种类和浓度取决于需要电镀到电极上和电极内的特定金属，以及为
了增加性能(例如由于铁或锰基伪电容而增加的电容)而沉积在电极上和电极内的这种金属的总量。
124.○
将通过所公开的方法激活的由生物炭制成的单片电极可以可选地进行预处理以从孔中去除空气/气体，并借助超声波处理预浸在该电解液中，或在浸入电解质溶液中时施加真空和随后的再加压，以便从孔中去除初始气体并尽可能多地充分湿润内部孔结构。然而，注意，这种预浸/浸渍不是必需的，而是通过预润湿电极的内部孔来加速整个过程，而不是在施加电压电势时等待电解质扩散到孔中，据观察，在施加电压电势的第一个电解循环开始时，需要几分钟的时间。
125.○
此外，以上章节中所描述的对电极可以由牺牲金属制成，然后在本文所公开的电解处理期间，将牺牲金属电镀到生物炭电极孔和表面之上和其中。然后将待激活的电极放置在电解质溶液槽中，尽可能彼此靠近，而不相互接触。
126.○
相反极性的电极必须彼此不接触。这可以借助电绝缘的多孔隔板来实现，以最小化电极之间的空间并防止电极与电极的接触。这种多孔非导电隔板的实施例可以包括简单海绵或开孔聚合物泡沫橡胶、多孔塑料膜、聚合物纤维的机织布或无纺布、陶瓷纤维或硅基纤维(例如玻璃棉绝缘材料)等。
127.○
在所公开的发明的示例性实施例中，电极之间的距离大约为1厘米，并且这些平面电极被保持为尽可能地彼此平行，以在与平面成约10到15度角内。电极通过导电材料片用导电的(优选非腐蚀性的)夹持设备(例如鳄鱼夹)或任何其他简单的夹持和紧固方法或手段被固定。除碳质电极本身以外的所有导电紧固和夹持部件均保持在导电电解质溶剂槽之外，以避免电短路，并确保电流仅通过浸入槽中的电极材料传导，而不是通过导电紧固件、夹子、箔和金属支架进入导电电解质溶剂槽中而形成的短路传导。然后导电紧固件、夹子、箔和支架(例如鳄鱼夹、例如弹簧夹，例如加重夹)通过导线被连接到直流(dc)电源。参见100(图1a至图1d)。
128.○
然后将dc电源调节至足以激活电极以获得所需的最终结果的电位，最小电压超过1.7伏，以便水解(分解)水。该电压也足够高以在单片晶片碳质电极的所有表面上产生氢气(h2)和氧气(o2)的气泡，包括在单片电极主体内部、在通道和孔中产生气体。当这些气泡逸出时，它们会清除并输送出堵塞电极的孔和通道的松散碳、污染物和灰颗粒。此外，已在生物炭电极中形成的一些碳的微纳米结构在电极内被进一步激活。由于电化学效应，一些松散并运输到液体槽中的含碳化合物本身还经历与生物炭孔壁的电化学反应，并经历化学还原成纯碳或接近纯碳，从而形成为有序碳结构的片晶，例如石墨烯，例如石墨结构。更高的电压和电流产生更剧烈的气泡，并增加激活、净化和石墨烯及石墨形成发生的速率。
129.○
应该注意的是，由于基本上所有材料都有击穿电压，因此最大施加电压应保持在该电位水平以下，以避免电极或其粘合剂材料或自粘合材料的解体。
130.○
此外，可能需要更高的电压来将与生物炭电极分离的生物炭的某些碳部分电解进入溶液，然后从电解质溶液或从作为盐或有机液体引入电解槽的碳离子将其还原、沉积或电镀回碳质生物炭电极。此外，可能需要更高的电压将某些金属从金属对电极或从作为盐引入电解槽的金属离子电镀到碳质生物炭电极中。这种金属电化学方法可以根据需要使用高达5.5v的更高电压，这取决于克服布线中和电极本身内部电阻所必需的过电压。不幸的是，电极之间的这种“建议的”5.5伏电势接近典型生物炭碳质电极(例如由生物质形成的
电极)中许多碳结构的击穿电压，因此，在优化沉积速率和激活速率与电极材料自身的击穿电压极限的对比时，应小心。
131.●
从两个单片生物炭电极晶片的激活中获得的优越性能的说明
132.○
通过其他上游方法(如favetta专利提交中所述；之前通过引用并入)提供的炭化后活性炭电极在应用本文所公开的本发明方法时，在与电解质水溶液初始接触时可以表现出疏水行为。这通常是由于先前步骤或先前应用的激活方法(参见favetta专利提交)中不完全炭化和激活造成的，然后这导致在电极内产生较少的热产生的微孔和纳米孔，或者可能是由电极内或电极表面上的孔堵塞引起的，由于在炭化过程中可以覆盖电极表面以及覆盖电极的内孔和通道的壁的炭化的副产物造成的(参见favetta等人，临时序列号62/826005)。这种不合需要的炭化副产物可能包括焦油、低聚物和糖(例如多糖)。
133.○
然而，本文所公开的电解处理允许电解质水溶液渗透到电极的内部结构中，然后进行催化、氧化和反应，从而向外排出产生的气体并扩大孔隙，并去除任何炭化副产物涂层。结果表明电解后的晶片比电解前的电极晶片更亲水。此外，孔隙的打开和扩大允许电解质更快、更易接近(扩散阻力更小)，并证明了这些组装设备的电容、伪电容、电池充电和放电速率以及总能量密度和功率密度的显著改善，以及燃料电池电极的体积效率和空间速度的显著改善。
134.尽管已经参考示例性实施例及其实施方式来描述本公开，但本公开不受这些示例性实施例/实施方式的限制。相反，本公开的系统/方法容易受到修改、变化和改进的影响，这些修改、变化和改进对于基于本文提供的公开内容的本领域技术人员来说是显而易见的，并且本公开包括这样的修改、变化和改进。