Carbon nanosheets as the electrode material in supercapacitors的翻译

1、碳纳米片作为超级电容器电极材料摘要：碳纳米片由1 - 7层主要是垂直朝向衬底的石墨烯层组成。碳纳米片的厚度和形态的变化取决于前面生长和衬底温度。他们有一个超低平面电阻率。碳纳米片的电容可在标准的电化学三电极电解电池下用循环伏安法测量,其中包含铂对电极和标准汞/硫酸亚汞参比电极在6MH2 SO4电解液。作为工作电极,碳纳米片的电容被发现是单位面积0.076 F厘米2。用数学模型来模拟一个包含碳纳米片作为电极材料并被发现是1.49×104 F的虚拟超级电容器单元的总可能电容。1.介绍这里说的超级电容器(supercapacitor or ultracapacitor) 与传统的超级电容相

2、比，前者具有超高电容。超级电容器的电容通过电化学双层建立(EDLC)1 - 3。超级电容器和电池对于便携式电子设备,风力发电和电动汽车(EV)4来说都是至关重要的能源/电力存储设备。电动汽车产业的发展主要依靠生活的进步,快速充电、大容量电池。电池和超级电容器并不是相互替换,而且在电动汽车的传动系的系统有不同的作用。电池依靠化学反应和电解质离子扩散产生/储存能量而且可以提供的能量比超级电容器更多。超级电容器的存储/释放能量取决于电化学双层, 设备上避免了化学反应所以可以快速充电和放电。超级电容器可以重复使用多年而不退化和在电解质/电极中不含重离子,因此,它是一种环保设备。超级电容器的大电容量源于

3、高导电材料的比表面积很高。传统超级电容器由活性炭颗粒或碳纤维组成。这些碳材料理论上有很高的比表面积(1000 - 2000平方米克1)。相应地计算单位表面积活性炭材料的电容是10- 15F厘米2。因此,超级电容器用活性炭材料作为电极,具有更高的理论电容值(100 - 300 F g1)相比普通电容器(大约F或pF)和内阻比电池内阻少得多。此外,多达40%的能源可以恢复。通过在supercapacitor-bus制动。根据Pandolfo和Hollenkamp5和Obreja6 的评论,传统碳超级电容器有一个1 - 10(Whkg1) 的比能和0.5-10 (kWkg1)的功率系数。几十甚至上百

4、公斤的超级电容器也需要一个电动汽车。传统的铅酸电池通常是30 - 40 Whkg1和现代锂电池120 Whkg1,因此,重要的是要提高EDLC物理极限和减少体重。两个因素限制超级电容器的容值：孔隙分布和电极材料的电阻。为了改善电极性能,材料的孔隙分布应该优化。电极的电阻是另一种常见的限制约束。为了增加功率系数, 电极材料的体电阻和界面电阻应该最小化。几种碳纳米材料,如碳纳米管(碳纳米管、单壁和多壁)和石墨烯作为超级电容器电极材料7 - 9吸引了研究兴趣。碳纳米结构都是由sp2-bonded碳。石墨烯是一种单原子层的碳六角形结构(10、11)。碳纳米管是一个管状几何由一个或多个石墨烯层组成。理论

5、和实验测量结果表明,碳纳米管和石墨烯中对电子转移有超低的电阻率12。在室温下,石墨烯片的电阻率为106厘米(少于银的电阻率)。一个石墨烯片的比表面积可达到接近2630平方米克17。研究在麻省理工学院LEES项目带领下，已演示了30 Whkg1超级电容器。石墨烯超级电容器的研究,由罗夫和同事(7、15)最近报道,化学修饰石墨烯(CMG)可以在水溶液中获得非常高单位电容(137 Fg1)。Nanogate碳®16能够获得30 - 75 Whkg1。这个碳质材料,由石墨结构夹层距离0.375nm的预热石油焦产生。人们建议,化学气相沉积是制作高质量的石墨烯薄膜(10、11) 的最好技术,如发

6、展碳纳米片的王等人 19运用的射频等离子体增强化学汽相淀积。碳纳米片是二维石墨片由1 7层石墨烯层(平均三层),通常终止在一个石墨烯片(20、21)。碳纳米片的比表面积可用BET方法测量(18、19、22)并且被发现约1100平方米克1。通过改变沉积时间,中枢神经系统高度可以发生从100纳米到> 10 m改变。中枢神经系统的形态可通过调整衬底温度和采用不同的前体进行调节。中枢神经系统可以合成大量纯形式(杂质< 100 ppm,由粒子诱导的x射线辐射,PIXE)22。垂直对齐碳纳米片是二维纳米片,代表三维纳米孔。衬底偏压电场的对齐中枢神经系统有序,平行平面几何300纳米宽,1米高22

7、。在这项研究中,中枢神经系统的电容的测量是通过用一个数学模型-一个标准的包含6MH2SO4电化学环境和经验值来评估一个虚拟EDLC。2.方法碳纳米片由之前被报道的 (18 - 23)等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统制作。简而言之,在沉积过程中,400 - 1200 W射频(RF,13.56 MHz)功率电感耦合到沉积室通过在一个石英窗口放置平面盘绕的射频天线。先驱气体甲烷(CH4)是作为碳源并且混合着氢气(H2)作为载气。感应等离子体的密度capacitive-coupled系统的10倍。其他典型的沉积参数：衬底温度、在600-950C之间变化、燃烧室压力、在20至200毫托之间变化

8、。碳纳米片已经可以在没有任何特殊的预处理或催化剂的情况下，成功地覆盖在Si, W, Mo, Zr, Ti, Hf, Nb, Ta, Cr, 304不锈钢、二氧化硅和氧化铝等上。图1显示了在100毫托总压强,680C 衬底温度,和900 W功率60% H2、40%CH4碳纳米片的扫描电子显微镜(SEM)典型图像。图1中的插图是石墨烯的原理图。图1 b显示纳米片大致垂直于衬底,发展情况下,高0.6米。如图1所示b,纳米片的边缘非常薄 (< 1nm),也被高分辨率透射电子显微镜(17 - 19、22) 证实。图2演示了碳纳米片均匀覆盖在碳纤维上。图2中的插图是一个碳布由大量的碳纤维组成。图2

9、b是碳纳米层覆盖的碳纤维的SEM图像。CNS涂料大大扩大碳纤维的比表面积。在这里, CNS在传统的沉积碳纸(请参见图3 a和b)中作为电容测量的工作电极。碳纸是由聚丙烯腈碳纤维(PAN)组成。碳化纤维之间绑定(残留胶)用于造纸制浆过程。循环伏安法(CV)是一种评估EDLC电容器新材料有效的技术。在这项研究中, CV实验涉及扫描一个碳纳米片连接间工作电极之间的可能工作电压(V) ,和一个参考电极,同时记录流过电极的时间电流(i)。充电/放电电流(i)与电容(C)和扫描速率(dV / dt)C = i /(dV / dt)有关。在真实的应用中,EDLC电容器是二电极器件。然而,为了理解单个电极的材

10、料性能 (阳极和阴极),这是一个科学的必要性用参考电极。潜在应用的工作电极和反电极可以分离。霍洛维茨和希尔24有一个关于恒电位电化学电路(也称为电压钳位)简洁的解释,这是基于运算放大器的反馈。一个由GamryTM制造的商业稳压器被用于这项研究。碳纳米片成为一个定制的由聚四氟乙烯塑料构成的工作电极。样品接触面积是0.78平方厘米(1厘米直径)。对电极由铂箔制成。参比电极是一个标准的汞/硫酸亚汞电极缩写“MSE Hg-Hg2SO4-SO42)和电解质是6-mole硫酸酸(硫酸)。3.结果与讨论图4显示了附加到工作电极(阳极)的CV碳纳米片块样品在不同扫描速率(25、50、100、100、150、2

11、50和300 mVs1)。x轴是在工作电极和参比电极之间的差分电压(V)。y轴是流过工作电极的测量电流(i)。从理论上讲,一个理想的电容器将生成一个完美的矩形轮廓,因此电容C(或者i)应该在线性充电/放电中保持常数 (dV / dt =常数)。这个循环电压图的概要在低扫描率 (25 mV s1)时接近矩形,这表明它接近理想EDLC电容器。在本系列实验,材料经过充电/放电循环停在0.6 v。CV平面图保持半长方形形状300 mV s1。材料的电容在不同扫描速率几乎是相同的。这个现象表示材料在快速充电/放电应用中可能会性能良好。在高扫描速率(> 50 mV s1), 材料的电容随低到高电压增

12、加。换句话说,电容的材料取决于外加电压,从而偏离理想的电容器。在扫描速率为(dV / dt)50 mV s1,最大放电电流(I)是3 mA，从而使C = I /(dV / dt)= 0.06 f .碳纳米片沉积在碳纸的接触面积s = 0.782平方厘米。因此CNS产量C / S F = 0.0764厘米2测试区域。在这项研究中,开发了一个数学模型来评估理想的超级电容器材料。如图5所示,超级电容器的半径R和高度H,可以由碳纳米片形成的“三明治”阿基米德螺旋得到。三明治是中心对称几何。垫包含两个电流收集器,它连接到扭转极化电压。它有一个绝缘层作为离子渗透分离器。碳纳米片作为电极材料被填满。左边角落

13、插图是板的横截面示意图(筛选区中间的图)。三明治是d的厚度及其旋转路径遵循一个阿基米德螺旋模式。如果我们假设内壁和外壁电流收集器是电绝缘和绕组完全压缩,把(N)的数量可以通过电容的比值估算半径和垫厚度,即R / d。评估一个超级电容器的电容,我们可以应用下面的简化模型来表示有包装板结构的截面:内表面的轮廓纳米片满足从原点开始的阿基米德螺旋方程, 用r表示从起始点的距离和角度,分别和a= d / 2是一个常数。因此,我们可以估计三明治板的总长度计算的积分长度阿基米德螺旋使用以下公式:其中= 2 N,N = R / d。Matlab脚本开发评价L各种输入。超级电容器设备与R = 3厘米,H = 1

14、3.8厘米,滚在一个三明治板与d = 100,设备的电容值需要计算两个电容器。设备capac-itance 1/2每个电极的电容两系列。这给了,作为参考,一个商业超级电容器设备(麦克斯韦Boostcap®电容,BCAP3000-P270-T04)的气缸高度H = 13.8厘米,一个外径d = 60.0毫米,有一个电容3000.0 F,然而,直接比较商业产品的新概念是不合适的。通过使用一个水电解质(硫酸),最大CV测试电压(0.6 V)远低于实际的工作电压。营利性设备,像Boostcap®,使用非水有机电解质(如乙腈)能维持工作电压2.5 v .由于储能是用来评估EDLC设备一个目标, 在同一工作电压电极材料的电容比较是有意义。4.总结本研究评估作为电化学双层电容器的电极材料碳纳米片 (EDLC)。碳纳米片是由石墨