【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件

1第二讲超级电容器电极材料第五章储能碳材料1第二讲超级电容器电极材料第五章储能碳材料1一、电容器基础知识电容器的储电机理 对于任何一个不受外界影响的“孤立”导体而言，当导体带电时其所带的电量Q与相应的电位U之比，是一个和导体所带的电量无关的量，称为孤立导体的电容，即： 地球的电容：700uF注：1库伦约为6.25×1018个电子的电量一、电容器基础知识电容器的储电机理22.平板电容器2.平板电容器33.介电常数及介电质3.介电常数及介电质4不同的材料具有不同的介电常数（1）中性介质： 非极性的有机薄膜材料(如聚四氟乙烯聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等)及某些浸渍材料(如石胳、纯地腊凡士林、电容器法等)。稳定，介电常数小（1.8-2.6）（2）极性介质： 涤纶、聚碳酸酯、聚砜、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、纤维素。不稳定，介电常数大（3.0-6.5）（3）离子结构介质 玻璃、云母、陶瓷、钛酸盐，稳定，介电常数可高达102－105不同的材料具有不同的介电常数5平板电容器的电容 以离子结构的介电质的最高介电常数计算105计算，如果面积S为1.0m2，即10000cm2，平板间距d为0.2mm，即0.02cm，则容量为4420uF，即0.044F。平板电容器的电容65.电容器的应用 （1）阻绝直流、耦合交流：交直流互变（2）滤波、调谐：无线电（3）短暂小容量储能：闪光灯5.电容器的应用7二、超级电容器因何而超级？

Super-capacitor，ultra-capacitor

如果面积S为1000m2，即107cm2，平板间距d为1.0nm，即10-4cm，则容量为885F，如果电压为1.0V，以1.0A电流放电，放电时间可达885s，即885As，换算成电池的容量单位为245mAh。二、超级电容器因何而超级？8如何实现？ 采用活性炭和离子溶液作为电介质 两个转变：平板→多孔材料，使比表面积增大 固体介电质→离子型溶液，d大大减小作为电极的多孔材料中的电荷与吸附在孔壁上的离子构成双电层，因此也叫双电层电容器。

如何实现？92.超级电容器特点及应用领域2.1特点体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大30~40倍充电速度快，10秒内达到额定容量的95%失效开路，过电压不击穿，安全可靠超长寿命，可长达40万小时以上2.超级电容器特点及应用领域2.1特点10

2.2用途（1）电动车 启动：可以输出几秒到几十秒的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，常用于各类电动汽车和重型机械设备中，单体容量50F以上，50000F以下，可几个到几百个串联使用，组件电压从12VDC直到700VDC以上 牵引：可以连续几分钟到几十分钟输出较高强度的电流，在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能供应工作，单体容量最高可达到100000F以上，可以几个到几百个串并联使用，组件电压从12VDC直到800VDC以上2.2用途11【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件12 （2）风力发电 （2）风力发电133.超级电容器的主要构成 电极材料 电解液 集电体 隔膜 封装材料3.超级电容器的主要构成144.超级电容器电极材料4.1活性炭电极材料（1）生物质活性炭一种椰壳活性炭的孔结构4.超级电容器电极材料一种椰壳活性炭的孔结构15【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件16【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件17【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件18【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件19（2）超级活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙基四氟硼酸铵聚碳酸酯乙腈（2）超级活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙20电极材料的比电容与比表面积呈正比不同的电解液容量不同电极材料的比电容与比表面积呈正比21(3)孔结构与比电容的关系微孔：小于2nm，中孔：2－50nm(3)孔结构与比电容的关系22【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件23对于硫酸电解质，相对直径较大的孔有利于比容量的增加对于硫酸电解质，相对直径较大的孔有利于比容量的增加24（4）模板合成中孔碳稀硫酸体系（4）模板合成中孔碳稀硫酸体系25第三讲燃料电池用碳材料第三讲燃料电池用碳材料26H2一.质子膜燃料电池的基本结构H2一.质子膜燃料电池的基本结构27二.材料及功能1.质子膜： 传导H＋质子并阻止非质子的通过，绝缘，耐高温（200摄氏度以上），由无机参杂的聚合物构成。二.材料及功能282.扩散层：碳纸或碳布因为要通入氢气及氧气，必须具有高透气性的功能，在材料的选择上必须采用多孔透气材料。气体扩散层所处环境同时存在还原介质与气化介质，所以必须具有抗腐蚀能力。因此选择碳材料作为气体扩散层的主要材料。扮演电流的传导器，因此气体扩散层的导电度必须有一定水准以上。为了确保电池组的温度均匀分布，气体扩散层必须是热的良导体。气体扩散层必须具有足够的抗弯曲强度来抵抗操作压力及热循环稳定性。2.扩散层：碳纸或碳布29碳纸碳纸30碳布碳布31【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件32【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件33ElectrochimicaActaVolume52,Issue12,10March2007,Pages3965–3975Oneisthatcarbonclothismoreporousandlesstortuousthancarbonpaper.ThesecondisinliquidwatercoverageontheGDLsurface,withcarbonclothbeingrougherandhencelessliquidwatercoveragethancarbonpaper.ElectrochimicaActaOneisthat343.电催化层 以碳黑、碳纳米管、石墨、MCMB、石油焦作为Pt等催化剂的载体。催化活性主要取决于载体的结构。3.电催化层35Surfaceandcross-sectionalSEMimagesofthecathodecatalystlayerwithoutcarbonblackadditive(a)(b)，withVulcanXC-72Radditive(c)(d)internationaljournalofhydrogenenergy35(2010)11245e11253Surfaceandcross-sectionalSE36【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件37JournalofCatalysisVolume294,October2012,Pages63–68SEMimagesofPtnanoparticlesdepositedon(a)pristineCNTswith100cyclesofALD（atomiclayerdeposit）andCNTsacid-treatedwith(b)100,(c)200,and(d)300cyclesofALD.JournalofCatalysisSEMimages384.双极板 主要材料：石墨要求：致密性好，导电性好，强度高4.双极板39石墨加粘结剂注塑成型的双极板石墨加粘结剂注塑成型的双极板40【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件41【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件42Flexuralstrengthofcarbonfabric/graphitehybridcompositebipolarplatewithrespecttothearealdensityofphenolicresinatroom(25oC)andhigh(90oC)temperature.Flexuralstrengthofcarbonfa43思考题从平板电容器电容的计算公式出发，分析影响电容量的因素有哪些，解释活性炭作为电极为什么能实现“超级”电容量。质子膜燃料电池是由哪几部分构成的？分别用到何种（碳）材料？思考题从平板电容器电容的计算公式出发，分析影响电容量的因素有441第二讲超级电容器电极材料第五章储能碳材料1第二讲超级电容器电极材料第五章储能碳材料45一、电容器基础知识电容器的储电机理 对于任何一个不受外界影响的“孤立”导体而言，当导体带电时其所带的电量Q与相应的电位U之比，是一个和导体所带的电量无关的量，称为孤立导体的电容，即： 地球的电容：700uF注：1库伦约为6.25×1018个电子的电量一、电容器基础知识电容器的储电机理462.平板电容器2.平板电容器473.介电常数及介电质3.介电常数及介电质48不同的材料具有不同的介电常数（1）中性介质： 非极性的有机薄膜材料(如聚四氟乙烯聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等)及某些浸渍材料(如石胳、纯地腊凡士林、电容器法等)。稳定，介电常数小（1.8-2.6）（2）极性介质： 涤纶、聚碳酸酯、聚砜、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、纤维素。不稳定，介电常数大（3.0-6.5）（3）离子结构介质 玻璃、云母、陶瓷、钛酸盐，稳定，介电常数可高达102－105不同的材料具有不同的介电常数49平板电容器的电容 以离子结构的介电质的最高介电常数计算105计算，如果面积S为1.0m2，即10000cm2，平板间距d为0.2mm，即0.02cm，则容量为4420uF，即0.044F。平板电容器的电容505.电容器的应用 （1）阻绝直流、耦合交流：交直流互变（2）滤波、调谐：无线电（3）短暂小容量储能：闪光灯5.电容器的应用51二、超级电容器因何而超级？

Super-capacitor，ultra-capacitor

如果面积S为1000m2，即107cm2，平板间距d为1.0nm，即10-4cm，则容量为885F，如果电压为1.0V，以1.0A电流放电，放电时间可达885s，即885As，换算成电池的容量单位为245mAh。二、超级电容器因何而超级？52如何实现？ 采用活性炭和离子溶液作为电介质 两个转变：平板→多孔材料，使比表面积增大 固体介电质→离子型溶液，d大大减小作为电极的多孔材料中的电荷与吸附在孔壁上的离子构成双电层，因此也叫双电层电容器。

如何实现？532.超级电容器特点及应用领域2.1特点体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大30~40倍充电速度快，10秒内达到额定容量的95%失效开路，过电压不击穿，安全可靠超长寿命，可长达40万小时以上2.超级电容器特点及应用领域2.1特点54

2.2用途（1）电动车 启动：可以输出几秒到几十秒的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，常用于各类电动汽车和重型机械设备中，单体容量50F以上，50000F以下，可几个到几百个串联使用，组件电压从12VDC直到700VDC以上 牵引：可以连续几分钟到几十分钟输出较高强度的电流，在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能供应工作，单体容量最高可达到100000F以上，可以几个到几百个串并联使用，组件电压从12VDC直到800VDC以上2.2用途55【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件56 （2）风力发电 （2）风力发电573.超级电容器的主要构成 电极材料 电解液 集电体 隔膜 封装材料3.超级电容器的主要构成584.超级电容器电极材料4.1活性炭电极材料（1）生物质活性炭一种椰壳活性炭的孔结构4.超级电容器电极材料一种椰壳活性炭的孔结构59【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件60【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件61【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件62【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件63（2）超级活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙基四氟硼酸铵聚碳酸酯乙腈（2）超级活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙64电极材料的比电容与比表面积呈正比不同的电解液容量不同电极材料的比电容与比表面积呈正比65(3)孔结构与比电容的关系微孔：小于2nm，中孔：2－50nm(3)孔结构与比电容的关系66【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件67对于硫酸电解质，相对直径较大的孔有利于比容量的增加对于硫酸电解质，相对直径较大的孔有利于比容量的增加68（4）模板合成中孔碳稀硫酸体系（4）模板合成中孔碳稀硫酸体系69第三讲燃料电池用碳材料第三讲燃料电池用碳材料70H2一.质子膜燃料电池的基本结构H2一.质子膜燃料电池的基本结构71二.材料及功能1.质子膜： 传导H＋质子并阻止非质子的通过，绝缘，耐高温（200摄氏度以上），由无机参杂的聚合物构成。二.材料及功能722.扩散层：碳纸或碳布因为要通入氢气及氧气，必须具有高透气性的功能，在材料的选择上必须采用多孔透气材料。气体扩散层所处环境同时存在还原介质与气化介质，所以必须具有抗腐蚀能力。因此选择碳材料作为气体扩散层的主要材料。扮演电流的传导器，因此气体扩散层的导电度必须有一定水准以上。为了确保电池组的温度均匀分布，气体扩散层必须是热的良导体。气体扩散层必须具有足够的抗弯曲强度来抵抗操作压力及热循环稳定性。2.扩散层：碳纸或碳布73碳纸碳纸74碳布碳布75【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件76【碳材料】第五章-储能碳材料-超级电容器电极材料课件77ElectrochimicaActaVolume52,Issue12,10March2007,Pages3965–3975Oneisthatcarbonclothismoreporousandlesstortuousthancarbonpaper.ThesecondisinliquidwatercoverageontheGDLsurface,withcarbonclothbeingrougherandhencelessliquidwatercoveragethancarbonpaper.ElectrochimicaActaOneisthat783.电催化层 以碳黑、碳纳米管、石墨、MCMB、石油焦作为Pt等催化剂的载体。催化活性主要取决于载体的结构。3.电催化层79Surfaceandcross-sectionalSEMimagesofthecathodecatalystlayerwithoutcarbonblackadditive(a)(b)，withVulcanXC-72Radditive(c)(d)internationaljournalofhydrogenenergy35(2010)11245e11253Surfaceandcr