活性炭在超级电容器中的应用1

1、电化学电容器电极材料的制备与性能张传祥河南理工大学 提提 纲纲 背景 电化学电容器基本原理 电化学电容器的应用 炭材料电极 研究进展背 景电化学超级电容器电化学超级电容器（Electrochemical Supercapacitor ESCElectrochemical Supercapacitor ESC） 是近年来出现的一种新型能源器件，与常规电容器不同，其容量可达法拉级甚至数千法拉，因此享有“超级电容器”之称。它兼有常规电容器功率密度大功率密度大、充电电池能量密度高能量密度高的优点，可快速充放电快速充放电，而且寿命长寿命长，是一种新型、高效、实用的能量储存装置。背 景Ktz and M.

2、 Carlen, Electrochimca Acta, 45, 2483, (2000)背 景电化学电容器与电池、常规电容器的比较电化学电容器与电池、常规电容器的比较放置放置 ECUSTECUST 电化学电容器与电池的比较ECUSTECUST电化学电容器与电池的比较背 景ECUSTECUST背 景使用超级电容器和燃料电池的本田汽车20022002年进入美国日本市场背 景背 景 8吨混合动卡车减少燃料消耗50，氮氧化物排放44，微粒排放65。可行驶60万公里，10年寿命。 15吨天然气发动机超级电容器串联混合动力Bus。能量效率是纯CNG汽车的2.66倍。化学电容器的组装与产品 ECUSTEC

3、UST ECUSTECUST ECUSTECUST背 景我国工业化超级电容器样品背 景背 景电子装置电子装置使用目的使用目的推荐规格推荐规格电动玩具作为起动电源或补充电源1.04.7F汽车音响更换蓄电池时,数字调谐器的备用电源。汽车启动时,稳定电路电压0.471.0F出租车计程器在更换电池或修理计程器时,计程器数和累加累用存储信息的支持电源0.10.47F打卡机掉电后数据存储保护并且能够维持操作(取出正在使用中的信用卡)0.472.2F光盘刻读机在瞬间掉电或暂关电源时保护存储内容不丢失0.11.0F充电式数字万用表替代电池使用后作为电源0.472.2F有线电视DTS、IC的备用电源，可保证掉电

4、期间其存储的电视频道，计时器记录及时钟内容不丢失0.0470.1F电梯存储记忆设定的数据0.474.7F系统板更换电源电压波动期间，作为装用CMOS微处理器、 SRAM、DRAM的PC板的备用电源0.0471.0F可编程控制器更换电池时存储器的备用电源（电池备用电源支持系统），掉电期间作为存储器备用电源（电容备用电源支持系统）0.0472.2F太阳能驱动装置无光照系统的工作电源1.04.7F卫星电视接收机频道存储器的备用电源0.0470.47F背 景中介产品，弥补电池与电容不足应用范围宽，规格品种多，市场大于电池 背 景节能节能环保环保可持续发展可持续发展和谐社会和谐社会化学电容器基本原理EC

5、USTECUST双电层双电层化学电容器基本原理氧氧 化化 物物化学电容器基本原理导电聚合物导电聚合物影响电化学电容器性能的因素 电极材料 电解质 分解电压、离子直径、导电性 水溶液、有机溶液、凝胶高分子电解质 内阻 电极、电解质、界面等电化学电容器电极材料 过渡金属氧化物过渡金属氧化物 优势 ： 比电容高 -RuO2 nH2O可达698F/g 不足： 比表面积 钌的价格电化学电容器电极材料 导电聚合物导电聚合物 优势： 有良好性、内阻小、比容量大 如：聚苯胺(PANI) 1000F/g、聚吡咯和聚噻吩335F/g 不足： 稳定性电化学电容器电极材料 多孔炭多孔炭 根据双电层原理，电极表面的双电

6、层电容约为20F/cm2。若采用比表面积为1000cm2/g的活性炭做电极材料，可获得的比容量为200F/g 碳 ECUSTECUST多孔炭材料 活性炭 Activated Carbon AC 活性炭纤维 Activated Carbon Fiber ACF 炭气凝胶 Carbon Gel 泡沫炭 Carbon Foam 炭纳米管 Carbon Nanotube CNT 玻璃炭 Carbon Glass Carbon NanotubeActivated carbon fiber多孔炭材料ECUSTECUST电化学电容器对多孔炭材料的要求Q=1/2CVE=QV=1/2CV2表面积表面积电化学电容

7、器对多孔炭材料的要求孔结构（孔径、形状）孔结构（孔径、形状）电化学电容器对多孔炭材料的要求孔结构孔结构电化学电容器对多孔炭材料的要求表面官能团（润湿性、赝电容）表面官能团（润湿性、赝电容）赝电容表面润湿性位阻效应稳定性电化学电容器对多孔炭材料的要求 导电性 50 Pmi=V2oc/4Rb Pef/=EF(1-EF) V2oc/4Rb 若，EF=0.95, Pef/Pmi=0.19 密度 F/g 其它研究的目的电化学性能良好的多孔炭材料 比表面积大 孔结构可控或基本可控 官能团的可选择性 良好的导电性能研究思路 结构结构合成工艺合成工艺性能性能前驱体前驱体研究思路 结结 构构研究思路 ECUST

8、ECUST研究思路原料选择前驱体的选择 能够形成乱层结构 材料来源广 价格低 无污染 研究思路原料选择 树树 脂脂 煤煤 组成稳定 组成不稳定灰分小 灰分高价格较高 价格低 研究较多 研究少研究思路制备工艺 活性炭材料制备原则工艺 （固化） 炭化 活化 活性炭材料活化方法物理活化法化学活化法前驱体的选择优优 势势 缺缺 点点价格低 灰分高资源丰富 煤质多变 研究思路树脂基活性炭材料树脂基活性炭材料孔结构控制方法 催化法 共混法 模板法各有优缺点 研究思路树脂基活性炭材料拟采取制备工艺路线 热稳定树脂炭化共混热分解树脂研究思路树脂基活性炭材料文献综述 原料选择少 对炭化工艺研究多，共混树脂的性能

9、研究少 对结构仍不能有效控制研究思路煤基活性炭材料文献综述 用于电化学电容器电极材料的研究少 脱灰工艺复杂、污染大 无机组分对电极材料性能的影响研究少 孔径控制难，比表面积不能充分利用 表面含氧官能团导致漏电、自放电严重 炭化、活化机理 不清楚 研究思路煤基活性炭材料拟采取制备工艺（创新点）拟采取制备工艺（创新点） 采用最新的选矿方法电选法脱灰 研究无机组分对活性炭及其电化学性能的影响 通过调节无机组分控制孔径 微波辐射法消除表面官能团 无机组分调节表面官能团研究思路煤基活性炭材料煤炭活化机理的研究 从煤的显微组分入手研究思路煤基活性炭材料煤炭活化机理煤的结构煤的结构 希尔施(Hirsch)物

10、理结构模型 研究思路煤基活性炭材料煤炭活化机理煤的结构煤的结构本田两相模型 研究思路煤基活性炭材料煤炭活化机理煤的结构煤的结构本田化学结构模型研究思路煤基活性炭材料煤炭活化机理煤的结构煤的结构威斯(Wiser)化学结构模型 电容器的组装活性炭导电材料粘结剂 成型封装灌电解质加压封装Andrew Burke Journal of Power Sources 91(2000)3750研究进展 “Nanogate” 研究进展 电容器向快速充电与大功率电池迈进电容器向快速充电与大功率电池迈进http:/ 充电1分钟即可驱动小型笔记本电脑运行近1个半小时.在2004年10月于幕张MESSE举行的IT博览会“CEATEC JAPAN”上，这种快速充电的演示成了人们关心的话题。 一般笔记本电脑的充电电池要充满电至少需要1个小时。但“电双层电容器”却大幅缩短了这一时间。可半永久性使用无需更换。 研究进展 日本电子实现了利用纳米门碳技术的独家碳素材料，于2003年10月发表了能量密度大幅提高的电容器。 日本电子的电容器开发子公司高级电容器技术（A