活性炭在超级电容器中应用1

活性炭在超级电容器中应用1第一页，共65页。

提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第二页，共65页。背景电化学超级电容器（ElectrochemicalSupercapacitorESC）

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、充电电池能量密度高的优点，可快速充放电，而且寿命长，是一种新型、高效、实用的能量储存装置。第三页，共65页。背景KötzandM.Carlen,ElectrochimcaActa,45,2483,(2000)第四页，共65页。背景电化学电容器与电池、常规电容器的比较放置第五页，共65页。

ECUST第六页，共65页。

电化学电容器与电池的比较ECUST第七页，共65页。电化学电容器与电池的比较第八页，共65页。背景ECUST第九页，共65页。背景使用超级电容器和燃料电池的本田汽车2002年进入美国日本市场第十页，共65页。背景第十一页，共65页。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。第十二页，共65页。化学电容器的组装与产品

ECUST第十三页，共65页。

ECUST第十四页，共65页。

ECUST第十五页，共65页。背景我国工业化超级电容器样品第十六页，共65页。背景第十七页，共65页。背景电子装置使用目的推荐规格电动玩具作为起动电源或补充电源1.0～4.7F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0.47～1.0F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0.1～0.47F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)0.47～2.2F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0.1～1.0F充电式数字万用表替代电池使用后作为电源0.47—2.2F有线电视DTS、IC的备用电源，可保证掉电期间其存储的电视频道，计时器记录及时钟内容不丢失0.047～0.1F电梯存储记忆设定的数据0.47～4.7F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0.047～1.0F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）0.047～2.2F太阳能驱动装置无光照系统的工作电源1.0～4.7F卫星电视接收机频道存储器的备用电源0.047～0.47F第十八页，共65页。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，市场大于电池第十九页，共65页。背景节能环保可持续发展和谐社会第二十页，共65页。化学电容器基本原理ECUST双电层第二十一页，共65页。化学电容器基本原理氧化物第二十二页，共65页。化学电容器基本原理导电聚合物第二十三页，共65页。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、界面等第二十四页，共65页。电化学电容器电极材料

过渡金属氧化物优势：

比电容高α-RuO2·nH2O可达698F/g

不足：

比表面积钌的价格第二十五页，共65页。电化学电容器电极材料

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：

稳定性第二十六页，共65页。电化学电容器电极材料

多孔炭根据双电层原理，电极表面的双电层电容约为20μF/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

第二十七页，共65页。碳ECUST第二十八页，共65页。多孔炭材料活性炭ActivatedCarbonAC

活性炭纤维ActivatedCarbonFiberACF炭气凝胶CarbonGel泡沫炭CarbonFoam炭纳米管CarbonNanotubeCNT玻璃炭CarbonGlass第二十九页，共65页。

CarbonNanotubeActivatedcarbonfiber第三十页，共65页。多孔炭材料ECUST第三十一页，共65页。电化学电容器对多孔炭材料的要求Q=1/2CVE=QV=1/2CV2表面积第三十二页，共65页。电化学电容器对多孔炭材料的要求孔结构（孔径、形状）第三十三页，共65页。电化学电容器对多孔炭材料的要求孔结构第三十四页，共65页。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）赝电容表面润湿性位阻效应稳定性第三十五页，共65页。电化学电容器对多孔炭材料的要求导电性50％Pmi=V2oc/4RbPef/=EF(1-EF)V2oc/4Rb若，EF=0.95,Pef/Pmi=0.19密度F/g其它第三十六页，共65页。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第三十七页，共65页。研究思路结构合成工艺性能前驱体第三十八页，共65页。研究思路结构第三十九页，共65页。研究思路

ECUST第四十页，共65页。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第四十一页，共65页。研究思路—原料选择

树脂煤

组成稳定组成不稳定灰分小灰分高价格较高价格低

研究较多研究少第四十二页，共65页。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第四十三页，共65页。前驱体的选择优势缺点价格低灰分高资源丰富煤质多变

第四十四页，共65页。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

第四十五页，共65页。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第四十六页，共65页。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，共混树脂的性能研究少对结构仍不能有效控制第四十七页，共65页。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、活化机理不清楚第四十八页，共65页。研究思路—煤基活性炭材料拟采取制备工艺（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第四十九页，共65页。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第五十页，共65页。研究思路—煤基活性炭材料煤炭活化机理煤的结构

希尔施(Hirsch)物理结构模型

第五十一页，共65页。研究思路—煤基活性炭材料煤炭活化机理煤的结构本田两相模型

第五十二页，共65页。研究思路—煤基活性炭材料煤炭活化机理煤的结构本田化学结构模型第五十三页，共65页。研究思路—煤基活性炭材料煤炭活化机理煤的结构威斯(Wiser)化学结构模型

第五十四页，共65页。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第五十五页，共65页。AndrewBurkeJournalofPower

Sources91(2000)37–50第五十六页，共65页。研究进展

“Nanogate”

第五十七页，共65页。研究进展

电容器向快速充电与大功率电池迈进充电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“CEATECJAPAN”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。第五十八页，共65页。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（ACT）公司经营管理部长江口纯一解释说：“通过采用制造方法与分子结构与原来完全不同的碳，使得单位面积