活性炭在超級(jí)電容器中的應(yīng)用1

1、電化學(xué)電容器電極材料的制備與性能張傳祥河南理工大學(xué) 提提 綱綱 背景 電化學(xué)電容器基本原理 電化學(xué)電容器的應(yīng)用 炭材料電極 研究進(jìn)展背 景電化學(xué)超級(jí)電容器電化學(xué)超級(jí)電容器（Electrochemical SupercapacitorElectrochemical Supercapacitor ESC ESC） 是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型能源器件，與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)法拉級(jí)甚至數(shù)千法拉，因此享有“超級(jí)電容器”之稱。它兼有常規(guī)電容器功率密度大功率密度大、充電電池能量密度高能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，可快速充放電快速充放電，而且壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng)，是一種新型、高效、實(shí)用的能量?jī)?chǔ)存裝置。背 景Ktz and M.

2、 Carlen, Electrochimca Acta, 45, 2483, (2000)背 景電化學(xué)電容器與電池、常規(guī)電容器的比較電化學(xué)電容器與電池、常規(guī)電容器的比較放置放置 ECUSTECUST 電化學(xué)電容器與電池的比較ECUSTECUST電化學(xué)電容器與電池的比較背 景ECUSTECUST背 景使用超級(jí)電容器和燃料電池的本田汽車20022002年進(jìn)入美國(guó)日本市場(chǎng)背 景背 景 8噸混合動(dòng)卡車減少燃料消耗50，氮氧化物排放44，微粒排放65?？尚旭?0萬(wàn)公里，10年壽命。 15噸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)超級(jí)電容器串聯(lián)混合動(dòng)力Bus。能量效率是純CNG汽車的2.66倍。化學(xué)電容器的組裝與產(chǎn)品 ECUSTEC

3、UST ECUSTECUST ECUSTECUST背 景我國(guó)工業(yè)化超級(jí)電容器樣品背 景背 景電子裝置電子裝置使用目的使用目的推薦規(guī)格推薦規(guī)格電動(dòng)玩具作為起動(dòng)電源或補(bǔ)充電源1.04.7F汽車音響更換蓄電池時(shí),數(shù)字調(diào)諧器的備用電源。汽車啟動(dòng)時(shí),穩(wěn)定電路電壓0.471.0F出租車計(jì)程器在更換電池或修理計(jì)程器時(shí),計(jì)程器數(shù)和累加累用存儲(chǔ)信息的支持電源0.10.47F打卡機(jī)掉電后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)并且能夠維持操作(取出正在使用中的信用卡)0.472.2F光盤刻讀機(jī)在瞬間掉電或暫關(guān)電源時(shí)保護(hù)存儲(chǔ)內(nèi)容不丟失0.11.0F充電式數(shù)字萬(wàn)用表替代電池使用后作為電源0.472.2F有線電視DTS、IC的備用電源，可保證掉電

4、期間其存儲(chǔ)的電視頻道，計(jì)時(shí)器記錄及時(shí)鐘內(nèi)容不丟失0.0470.1F電梯存儲(chǔ)記憶設(shè)定的數(shù)據(jù)0.474.7F系統(tǒng)板更換電源電壓波動(dòng)期間，作為裝用CMOS微處理器、 SRAM、DRAM的PC板的備用電源0.0471.0F可編程控制器更換電池時(shí)存儲(chǔ)器的備用電源（電池備用電源支持系統(tǒng)），掉電期間作為存儲(chǔ)器備用電源（電容備用電源支持系統(tǒng)）0.0472.2F太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)光照系統(tǒng)的工作電源1.04.7F衛(wèi)星電視接收機(jī)頻道存儲(chǔ)器的備用電源0.0470.47F背 景中介產(chǎn)品，彌補(bǔ)電池與電容不足應(yīng)用范圍寬，規(guī)格品種多，市場(chǎng)大于電池 背 景節(jié)能節(jié)能環(huán)保環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展和諧社會(huì)和諧社會(huì)化學(xué)電容器基本原理EC

5、USTECUST雙電層雙電層化學(xué)電容器基本原理氧氧 化化 物物化學(xué)電容器基本原理導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電聚合物影響電化學(xué)電容器性能的因素 電極材料 電解質(zhì) 分解電壓、離子直徑、導(dǎo)電性 水溶液、有機(jī)溶液、凝膠高分子電解質(zhì) 內(nèi)阻 電極、電解質(zhì)、界面等電化學(xué)電容器電極材料 過(guò)渡金屬氧化物過(guò)渡金屬氧化物 優(yōu)勢(shì) ： 比電容高 -RuO2 nH2O可達(dá)698F/g 不足： 比表面積 釕的價(jià)格電化學(xué)電容器電極材料 導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電聚合物 優(yōu)勢(shì)： 有良好性、內(nèi)阻小、比容量大 如：聚苯胺(PANI) 1000F/g、聚吡咯和聚噻吩335F/g 不足： 穩(wěn)定性電化學(xué)電容器電極材料 多孔炭多孔炭 根據(jù)雙電層原理，電極表面的雙電

6、層電容約為20F/cm2。若采用比表面積為1000cm2/g的活性炭做電極材料，可獲得的比容量為200F/g 碳 ECUSTECUST多孔炭材料 活性炭 Activated Carbon AC 活性炭纖維 Activated Carbon Fiber ACF 炭氣凝膠 Carbon Gel 泡沫炭 Carbon Foam 炭納米管 Carbon Nanotube CNT 玻璃炭 Carbon Glass Carbon NanotubeActivated carbon fiber多孔炭材料ECUSTECUST電化學(xué)電容器對(duì)多孔炭材料的要求Q=1/2CVE=QV=1/2CV2表面積表面積電化學(xué)電容

7、器對(duì)多孔炭材料的要求孔結(jié)構(gòu)（孔徑、形狀）孔結(jié)構(gòu)（孔徑、形狀）電化學(xué)電容器對(duì)多孔炭材料的要求孔結(jié)構(gòu)孔結(jié)構(gòu)電化學(xué)電容器對(duì)多孔炭材料的要求表面官能團(tuán)（潤(rùn)濕性、贗電容）表面官能團(tuán)（潤(rùn)濕性、贗電容）贗電容表面潤(rùn)濕性位阻效應(yīng)穩(wěn)定性電化學(xué)電容器對(duì)多孔炭材料的要求 導(dǎo)電性 50 Pmi=V2oc/4Rb Pef/=EF(1-EF) V2oc/4Rb 若，EF=0.95, Pef/Pmi=0.19 密度 F/g 其它研究的目的電化學(xué)性能良好的多孔炭材料 比表面積大 孔結(jié)構(gòu)可控或基本可控 官能團(tuán)的可選擇性 良好的導(dǎo)電性能研究思路 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合成工藝合成工藝性能性能前驅(qū)體前驅(qū)體研究思路 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)研究思路 ECUST

8、ECUST研究思路原料選擇前驅(qū)體的選擇 能夠形成亂層結(jié)構(gòu) 材料來(lái)源廣 價(jià)格低 無(wú)污染 研究思路原料選擇 樹樹 脂脂 煤煤 組成穩(wěn)定 組成不穩(wěn)定灰分小 灰分高價(jià)格較高 價(jià)格低 研究較多 研究少研究思路制備工藝 活性炭材料制備原則工藝 （固化） 炭化 活化 活性炭材料活化方法物理活化法化學(xué)活化法前驅(qū)體的選擇優(yōu)優(yōu) 勢(shì)勢(shì) 缺缺 點(diǎn)點(diǎn)價(jià)格低 灰分高資源豐富 煤質(zhì)多變 研究思路樹脂基活性炭材料樹脂基活性炭材料孔結(jié)構(gòu)控制方法 催化法 共混法 模板法各有優(yōu)缺點(diǎn) 研究思路樹脂基活性炭材料擬采取制備工藝路線 熱穩(wěn)定樹脂炭化共混熱分解樹脂研究思路樹脂基活性炭材料文獻(xiàn)綜述 原料選擇少 對(duì)炭化工藝研究多，共混樹脂的性能

9、研究少 對(duì)結(jié)構(gòu)仍不能有效控制研究思路煤基活性炭材料文獻(xiàn)綜述 用于電化學(xué)電容器電極材料的研究少 脫灰工藝復(fù)雜、污染大 無(wú)機(jī)組分對(duì)電極材料性能的影響研究少 孔徑控制難，比表面積不能充分利用 表面含氧官能團(tuán)導(dǎo)致漏電、自放電嚴(yán)重 炭化、活化機(jī)理 不清楚 研究思路煤基活性炭材料擬采取制備工藝（創(chuàng)新點(diǎn)）擬采取制備工藝（創(chuàng)新點(diǎn)） 采用最新的選礦方法電選法脫灰 研究無(wú)機(jī)組分對(duì)活性炭及其電化學(xué)性能的影響 通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)機(jī)組分控制孔徑 微波輻射法消除表面官能團(tuán) 無(wú)機(jī)組分調(diào)節(jié)表面官能團(tuán)研究思路煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理的研究 從煤的顯微組分入手研究思路煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理煤的結(jié)構(gòu)煤的結(jié)構(gòu) 希爾施(Hirsch)物

10、理結(jié)構(gòu)模型 研究思路煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理煤的結(jié)構(gòu)煤的結(jié)構(gòu)本田兩相模型 研究思路煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理煤的結(jié)構(gòu)煤的結(jié)構(gòu)本田化學(xué)結(jié)構(gòu)模型研究思路煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理煤的結(jié)構(gòu)煤的結(jié)構(gòu)威斯(Wiser)化學(xué)結(jié)構(gòu)模型 電容器的組裝1. 活性炭導(dǎo)電材料粘結(jié)劑 成型2. 封裝3. 灌電解質(zhì)4. 加壓封裝Andrew Burke Journal of Power Sources 91(2000)3750研究進(jìn)展 “Nanogate” 研究進(jìn)展 電容器向快速充電與大功率電池邁進(jìn)電容器向快速充電與大功率電池邁進(jìn)http:/ 充電1分鐘即可驅(qū)動(dòng)小型筆記本電腦運(yùn)行近1個(gè)半小時(shí).在2004年10月于幕張MESSE舉行的IT博覽會(huì)“CEATEC JAPAN”上，這種快速充電的演示成了人們關(guān)心的話題。 一般筆記本電腦的充電電池要充滿電至少需要1個(gè)小時(shí)。但“電雙層電容器”卻大幅縮短了這一時(shí)間?？砂胗谰眯允褂脽o(wú)需更換。 研究進(jìn)展 日本電子實(shí)現(xiàn)了利用納米門碳技術(shù)的獨(dú)家碳素材料，于2003年10月發(fā)表了能量密度大幅提高的電容器。 日本電子的電容器開發(fā)子公司高級(jí)電容器技術(shù)（