碳纳米管在超级电容器中的应用

1、碳纳米管在超级电容器中的应用碳纳米管在超级电容器中的应用凝聚态物理 徐娇 LOGOContents什么是超级电容器1为什么要研究超级电容器2为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的电极材料？3目前碳纳米管制作电极材料有哪些方向？4什么是超级电容器什么是超级电容器 1.超级电容器超级电容器（ Supercapacitor ） “超级电容器超级电容器”一词源自于二十世纪六十年代末日本NEC公司生产的电容器产品“SUPER一CAPACITOR”，它泛指具有很高功率和高能量密度的电容器。所谓“超级电容器器”本质上是根据电化学原理设计、制造出来的，因此它又被称为电化学电容器(Eleetro一chemical

2、capatiors，Ec)。什么是超级电容器什么是超级电容器2.基本原理双双电电层层电电容容双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。对一个电极/溶液系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。什么是超级电容器什么是超级电容器法法拉拉第第赝赝电电容容法拉第赝电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。为什么要研究

3、超级电容器为什么要研究超级电容器TtTextTextTex1.超级电容器与电池性能比较超级电容器与电池性能比较性能 电容器 超级电容器 电池放电时间/s 10- 6 10- 3 1 30 1080 10800充电时间/s 10- 6 10- 3 1 30 3600 18000能量密度/Whkg- 1 10000 1000 2000 50 200充放电效率 1. 0 0. 90 0.95 0. 70 0. 85循环寿命/次 无限次 100， 000 500 2000为什么要研究超级电容器为什么要研究超级电容器TtTextTextTex2.2.超级电容器特点超级电容器特点(1)比功率高(能够提供几

4、百Wkg-1到几千Wkg-1的功率度);(2)大电流快速充电特性好;(3)电压与容量的模块化;(4)使用温度范围宽，为一40+70;(5)循环使用寿命长，可达10万次;(6)无污染，真正免维护;(7)价格低;(8)不需冷却及其它附属设备;(9)可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A;(10)可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压措施后，还可串联使用为什么要研究超级电容器为什么要研究超级电容器TtTextTextTex3.研究意义 由于超级电容器具以上优点，近年来，它已经成为全球研究热点件刊。超级电容器可以用来与动力电池配合使用，

5、充当大电流或能量缓冲区，减小大电流充放电对电池的伤害，延长电池的使用寿命，同时能较好地通过再生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中，提高能量利用率;另外也可应用于其他系统中，如作为燃料电池的启动动力，做移动通讯和计算机的电力支持等 特别是在电动汽车上的应用对提高其加速性能、瞬时启动、爬坡能力、吸收利用刹车和颠簸能量的作用几乎是无可替代的，美国、日本和俄罗斯等国都先后投入大量人力、物力对超级电容器进行研究开发，有些公司的产品已实现商业化。例如，美国能源部对电动车用超级电容器的开发已制订了相应发展计划，远期目标为比功率达到1500W.kg-1，比能量达到15W.h.kg-1。为什么要选用碳纳米管作

6、为超级电容器的极材料？为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的极材料？ConceptTextTextTextTextTextText1.1.超级电容器的改进超级电容器的改进双电层电容原理提高电极材料比表面积和孔利用率，从而增大比电容，比能也就增大了。赝电容原理提高电极材料可逆法拉第反应的几率，从而增加比能。提高性能方法多孔碳材料1.活性炭 2.活性炭纤维3.碳纳米管etc.1.金属氧化物电极材料如：RuO2、NiO、CoO等2.导电聚合物电极材料如：PPY、PTH、PVN为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的极材料？为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的极材料？Concept 由石墨原子单层绕同轴缠绕

7、而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物。其直径一般在一到几十个纳米之间，长度则远大于其直径。 tTextTextTextTextText2.2.碳纳米管碳纳米管（ CNT ）为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的极材料？为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的极材料？Co优良的导电性ncept中空结构，纳米尺寸部分碳sp3杂化TextTextTextTextText3.3.结构与性能结构与性能巨大的比表面积碳原子sp2杂化高模量、高强度目前碳纳米管制作电极材料有哪些方向目前碳纳米管制作电极材料有哪些方向直接用直接用CNTCNT制作电极材料制作电极材料 单壁CNT、多壁CNT等等。用活化后的用

8、活化后的CNTCNT制作电极材料制作电极材料 用HNO3、CO2、空气等活化CNT，增大其比表面积，从而增大其比容量，并改善其循环使用性能。CNTCNT与金属氧化物复合制作电极材料与金属氧化物复合制作电极材料 与过度金属氧化物（RuO2、NiO2、MnO2等）复合，当过渡金属氧化物与复合后，过渡氧化物电极上可发生快速可逆的电极反应，同时CNT具有大比表面积的网状结构和CNT良好的导电性使电子传递更能进入到电极内部，使能量存储于三维空间中，最终提高了电极的比电容和能量密度。CNTCNT与导电聚合物复合制作电极材料与导电聚合物复合制作电极材料 将导电聚合物（PPY、PAN、PANI等）包覆于碳纳米

9、管上， 使二者优势互补，复合电极材料具有优于导电聚合物的导电性和循环性能， 而比容量也较碳纳米管有了大幅提高。CNTCNT与石墨烯复合制作电极材料与石墨烯复合制作电极材料CNT超级电容器的几大发展方向Diagram 碳纳米管在超级电容器中的应用受到了广泛的关注。不同方法制备出的碳纳米管由于微观结构、形态存在较大的差别， 再加上电极成型工艺、所用电解液体系和测试方法等的不同， 电容性能差别很大。目前的研究多集中在碳纳米管的制备方面， 针对其微观结构与电化学性能的关系等理论问题的研究较少， 还缺乏清晰的认识， 今后应加强这方面的工作以指导碳纳米管的制备和筛选。碳纳米管比表面积小， 比容量偏低。化学活化可以显著提高其比表面积， 增大其比电容。将碳纳米管与准电容材料金属氧化物或