通过激光刻蚀技术提升基于工业废料的超级电容器的性能，以应用于储能领域

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Enhancing the performance of industrial waste-based supercapacitor by laser scribing for energy storage applications

工业废料粉煤灰（FA）和钢渣（GGBS）经化学活化与溶胶-凝胶法合成活性材料，用于超级电容器电极。通过Nd: YAG激光处理集流器表面（间距75-190μm），优化粗糙度与附着力，镍泡沫在170μm间距下表现最佳：比电容达1747.54 F g?1（3 A g?1），能量密度29.73 Wh kg?1，功率密度524.955 W kg?1，循环稳定性达97.25%（3000次）。激光处理显著降低电荷转移电阻，提升电极-集流器界面结合强度。

　　随着全球对可再生能源的重视和传统化石燃料使用量的下降，建立一个高效且可持续的能源存储系统已成为迫切需求。在这一背景下，超级电容器因其卓越的功率输出、快速的充放电循环以及较长的使用寿命而受到广泛关注。为了进一步提升超级电容器的性能并降低制造成本，开发新型活性材料显得尤为重要。活性材料作为超级电容器的核心组成部分，直接影响电极表面的电化学反应，包括离子的嵌入和吸附过程。活性材料通常占整个能量存储设备总重量的40%，因此其性能的提升对整体设备的效率具有决定性作用。

目前，生物基活性材料因其成本效益和环保特性而成为一种有吸引力的选择。这些材料主要来源于塑料、农业、工业、市政、茶叶、皮革和食品等行业产生的废弃物，因其含有丰富的碳含量以及微量金属氧化物。随着全球人口的增加，废弃物的产生也在不断上升，这使得从工业废弃物中提取活性材料成为一种具有前景的策略，能够为低成本、高性能的超级电容器提供原料。本研究特别关注工业副产品，如飞灰（FA）和粒化高炉矿渣（GGBS）。飞灰是一种灰白色的粉末，含有球状玻璃颗粒，是燃煤热电厂的副产品。在印度，约有285座这样的电厂，每年产生超过2.17亿吨的飞灰，其中只有约1.68亿吨被其他行业利用，其余仍未得到有效利用。同时，GGBS是在炼钢过程中，从铁矿石中提取铁时产生的副产品。它是一种不可降解的材料，会造成环境污染，吸入飞灰或矿渣还可能引发严重的健康问题，如呼吸系统疾病、咳嗽、眼部和皮肤感染。因此，对这些工业废弃物进行安全处理是必要的。

为了解决这一问题，本研究利用工业废弃物提取活性材料，以使整个过程更加环保。除了活性材料，超级电容器的电化学性能还受到其他组件的影响，如粘结剂、导电添加剂和电流收集器。其中，电流收集器的选择尤为关键，因为其与活性材料之间的附着力直接影响电化学性能。金属箔是当前最常用的电流收集器，因其具有高度的导电性，但在实际应用中存在显著的局限性。研究表明，随着时间的推移，活性材料层可能会从金属电流收集器上脱落，从而降低超级电容器的性能。为了解决这一问题，研究人员尝试了两种主要方法：提高粘结剂的浓度或在电流收集器表面制造粗糙度。然而，提高粘结剂浓度会带来一些挑战，因为更高的粘结剂含量会减少活性材料的比例，并增加浆料的粘度，最终影响设备的性能。此外，干燥时间也会延长，这使得大规模生产更加昂贵。因此，研究重点逐渐转向开发高性能的粘结剂。

与此同时，研究人员也在探索通过表面粗糙度改性来增强电流收集器与活性材料之间的接触面积，从而提升整体接触效果。因此，一种有前景的策略是采用金属箔电流收集器的表面改性技术。近年来，激光技术因其在金属材料表面制造图案的能力而被广泛应用于表面改性领域，能够诱导超疏水或超亲水特性。激光加工技术为金属箔表面的复杂图案制造提供了灵活的方法，使表面润湿性和附着力的控制成为可能。特别是，皮秒激光加工在金属表面生成微米和纳米结构方面表现出色，这种处理方式可以降低表面氧含量，提高电导率，并促进活性材料与电流收集器之间的良好附着。

考虑到这些因素，本研究采用第二谐波532 nm Nd: YAG激光处理作为一种可扩展的方法，用于制造高性能超级电容器电极。激光照射会在电流收集器表面形成微米和纳米结构，显著增加与活性材料的接触面积。这种改性有望延长设备的使用寿命。研究的主要目标是提高活性材料在电流收集器纹理结构中的渗透能力，并在干燥后促进电极与电流收集器之间的强机械结合。本研究旨在系统评估使用激光处理和未处理电流收集器制造的电极。

研究结果显示，在测试的电流收集器中，如石墨片、铜片、不锈钢和镍泡沫，镍泡沫表现出优越的电化学性能，其比电容达到1580.65 F/g，在3 A/g的扫描速率下。在涂覆活性材料之前，对电流收集器进行不同激光间距（75, 150, 170, 和190 μm）的激光处理，显著提升了其性能。经过激光处理后，电流收集器的接触角降低，表现出更高的亲水性，同时附着力也得到改善。值得注意的是，激光处理表面表现出显著降低的电荷转移电阻，并且在3000次充放电循环后仍能保持良好的循环稳定性。其中，经过170 μm激光间距处理的镍泡沫电极，在3 A/g扫描速率下，比电容达到1747.54 F/g。该电极表现出的能量密度为29.73 Wh/kg，功率密度为524.955 W/kg。这些结果突显了激光处理的工业废弃物衍生材料在高性能超级电容器应用中的潜力。

在活性材料的制备方面，本研究采用化学活化结合溶胶-凝胶法进行合成。飞灰的性质是酸性金属氧化物，因为它含有大量的二氧化硅，因此在化学活化过程中，需要使用碱性溶液进行处理。同样，GGBS是一种碱性金属氧化物，因其含有较高的氧化钙，因此在化学活化过程中，需要使用酸性溶液进行处理。因此，在化学活化过程中，使用等量的酸性和碱性溶液分别处理飞灰和GGBS，以确保其充分活化。通过这种方法，可以有效提取出具有高比表面积和良好导电性的活性材料，从而为超级电容器提供优质的电极材料。

在结果与讨论部分，研究发现合成的活性材料主要呈现出一种阿克曼石（Ca?MgSi?O?）相，并伴有少量的二辉石（Ca(Mg, Fe)Si?O?）相，这一结论通过X射线衍射分析和Rietveld精修得到证实。X射线光电子能谱（XPS）进一步揭示了样品中存在Fe3+离子。此外，X射线荧光（XRF）分析确认了样品中存在氧化铁、氧化镁和氧化钛。这些过渡金属离子的出现增强了材料的电化学活性，使其在超级电容器应用中具有更大的潜力。

通过激光处理的电流收集器表面，不仅能够改善其与活性材料之间的附着力，还能提高电极的整体性能。激光处理在电流收集器表面制造的微米和纳米结构，有助于增加表面粗糙度，从而提升活性材料的渗透性和接触面积。此外，激光处理还能减少表面氧含量，提高电导率，使电极在高电流密度下仍能保持良好的性能。这种处理方式能够有效降低电荷转移电阻，提高电极的循环稳定性，使其在长期使用中仍能保持较高的比电容和能量密度。

在结论部分，本研究提出了一种新颖且可扩展的活性材料合成方法，通过Nd: YAG激光处理显著提升了电流收集器与活性材料之间的附着力。附着力的增强归因于电流收集器表面的可控粗糙度。剥离附着力测试确认了材料与电流收集器之间的良好结合，而接触角测试则进一步验证了表面润湿性的改善。这些结果表明，通过激光处理的工业废弃物衍生材料能够为高性能超级电容器提供一种可持续且高效的解决方案。本研究不仅为工业废弃物的再利用提供了新思路，也为超级电容器的性能提升开辟了新的研究方向。

在作者贡献部分，Pooja Yadav负责撰写初稿、方法设计和数据分析。Sushil Patel提供资源支持。Gangadhar Mahar和Vikash Sharma参与方法设计。Satish提供资源支持。Manohar Kakunuri负责数据分析。Ismail Syed参与方法设计。P. Abdul Azeem负责撰写和编辑、验证、监督、调查以及概念设计。这些贡献表明，研究团队在材料合成、激光处理、电化学性能测试以及数据分析等方面进行了深入的合作。

在利益冲突声明部分，作者声明他们没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。这一声明确保了研究的客观性和公正性，使研究成果更具可信度。

综上所述，本研究通过利用工业废弃物提取活性材料，并结合Nd: YAG激光处理技术，成功开发出一种高性能的超级电容器电极。激光处理不仅提升了电流收集器的表面性能，还增强了其与活性材料之间的附着力，从而显著提高了电极的比电容、能量密度和功率密度。同时，激光处理还改善了电极的循环稳定性，使其在长期使用中仍能保持良好的性能。这些成果不仅为工业废弃物的再利用提供了新的途径，也为超级电容器的性能提升和可持续发展提供了重要的参考价值。未来的研究可以进一步探索不同激光参数对电极性能的影响，以及如何优化活性材料的制备工艺，以实现更高效率和更低成本的超级电容器制造。