超级电容器用多孔碳材料研究进展.ppt

文档介绍：超级电容器用多孔碳材料研究进展
超级电容器应用背景
优良的脉冲充放性能
大容量储能性能
Wh/kg
比功率大于500W/kg
循环寿命长（>105次）
环境适应性强
无记忆效应
免维护
对环境无污染
高功率军事装备的激发器
军用坦克、卡车瞬间启动
数据记忆存储系统
系统主板备用电源
电动玩具车主电源
太阳能电池辅助电池
通讯设施、计算机备用电源
电动汽车电源
能量存储装置比较
元器件
比能量
Wh/kg
比功率
W/kg
充放电次数
普通电容器
<
104~106
>106
超级电容器
~
102~104
>105
充电电池
20~200
<500
<104
超级电容器以及电极材料分类
双电层电容器（EDLC）
法拉第准电容器
混合类型电容器
碳素材料：成功商业化，性价比高。
金属氧化物材料：RuO2为主，导电性好，比容量大，循环寿命长，价格高，污染。
导电聚合物材料：工作电压高但电阻大 。
杂多酸：具有固体电解质的优点，使用方便。
碳基超级电容器(EDLC)原理
多孔碳、活性碳
理论比容量:若比表面积为1000m2/g，则电容器比容量为250F/g。
活性碳：通过活化处理后，微孔数量增加，比表面积增大。
3000m2/g的活性碳，实际表面利用率仅为10％左右。Anon:2000m2/g，水系280F/g，非水系120F/g。
微孔60～70％，中孔和大孔20～30％。
＜2nm的微孔是不能形成双电层。
活性碳纤维
基体材料是沥青和聚合物材料：人造纤维、酚醛树脂、聚丙烯***。
比容量为280F/g，比功率大于500W/kg。
平均细孔孔径为2～5nm，细孔容积0．3～1．5ml/g，比表面积达1500～3000m2/g。
松下电器：导电性能优良的酚醛活性碳纤维。
Hiroyuki等采用热压成型法制备的高密度活性碳纤维，其密度为～g/cm3，这种材料的电子导电性远高于活性碳粉末电极，双电层电容器的电容值随高密度活性碳纤维密度的提高而增大。
碳凝胶材料性能
质轻、大比表面积、中孔发达、导电性良好、电化学性能稳定的纳米级的中孔碳材料。
孔隙率达80％～90％，孔径3～20nm，比表面积400～1100m2/gg/cm3，电导率10～25S/cm。
克服使用活性碳粉末和纤维作电极时存在的内部接触电阻大，含有大量不能被电解液浸入的微孔，比表面积得不到充分利用的问题，是制备高比能量、高比功率电化学电容器的理想电极材料。
碳凝胶制备
有机凝胶的形成：得到空间网络状结构的凝胶
超临界干燥：不破坏凝胶结构而把空隙内溶剂脱除
碳化过程：脱去挥发分又不破坏凝胶结构
. Pelaka：
间苯二酚（R）和甲醛（F） RF凝胶，成本高
密***（M）和甲醛（F） MF凝胶，密度大，比表面积未降低
热塑性酚醛树脂（P）和糠醛（F） PF凝胶 ，成本低，周期短
大连理工大学的李文翠：酚类同分异构物混合物（J）与甲醛（F）JF凝胶，成本低，周期短，但密度高于RF凝胶，比表面积也较RF凝胶略低
碳凝胶性能
RF的EDLCkW/kg，能量密度为5Wh/kg，比容量39F/g(以碳和电解液的重量之和为准，水电解液)。
同济大学：RF凝胶，比表面积为600m2/g，平均孔径为12nm，电导率为20S/cm，组装成电容器后获得30F/g的单电极比容。
Mayer S T制得的碳凝胶，得到双电极比容量达40F/g。
Powerstor公司以碳凝胶为原料制做EDLC，Wh/kg和250W/kg，该产品已实现产业化。
结构可控：原料的配比，间苯二酚（R）与催化剂（C）之比，反应温度及凝胶化时间可有效地控制产物的结构。
性能优良，但周期长，超临界干燥设备昂贵而复杂。