活性炭在超級電容器中應(yīng)用1

活性炭在超級電容器中應(yīng)用1第一頁，共65頁。

提綱背景電化學(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)展第二頁，共65頁。背景電化學(xué)超級電容器（ElectrochemicalSupercapacitorESC）

是近年來出現(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)法拉級甚至數(shù)千法拉，因此享有“超級電容器”之稱。它兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，可快速充放電，而且壽命長，是一種新型、高效、實(shí)用的能量儲存裝置。第三頁，共65頁。背景K?tzandM.Carlen,ElectrochimcaActa,45,2483,(2000)第四頁，共65頁。背景電化學(xué)電容器與電池、常規(guī)電容器的比較放置第五頁，共65頁。

ECUST第六頁，共65頁。

電化學(xué)電容器與電池的比較ECUST第七頁，共65頁。電化學(xué)電容器與電池的比較第八頁，共65頁。背景ECUST第九頁，共65頁。背景使用超級電容器和燃料電池的本田汽車2002年進(jìn)入美國日本市場第十頁，共65頁。背景第十一頁，共65頁。背景8噸混合動卡車減少燃料消耗50％，氮氧化物排放44％，微粒排放65％?？尚旭?0萬公里，10年壽命。15噸天然氣發(fā)動機(jī)－超級電容器串聯(lián)混合動力Bus。能量效率是純CNG汽車的2.66倍。第十二頁，共65頁?；瘜W(xué)電容器的組裝與產(chǎn)品

ECUST第十三頁，共65頁。

ECUST第十四頁，共65頁。

ECUST第十五頁，共65頁。背景我國工業(yè)化超級電容器樣品第十六頁，共65頁。背景第十七頁，共65頁。背景電子裝置使用目的推薦規(guī)格電動玩具作為起動電源或補(bǔ)充電源1.0～4.7F汽車音響更換蓄電池時,數(shù)字調(diào)諧器的備用電源。汽車啟動時,穩(wěn)定電路電壓0.47～1.0F出租車計(jì)程器在更換電池或修理計(jì)程器時,計(jì)程器數(shù)和累加累用存儲信息的支持電源0.1～0.47F打卡機(jī)掉電后數(shù)據(jù)存儲保護(hù)并且能夠維持操作(取出正在使用中的信用卡)0.47～2.2F光盤刻讀機(jī)在瞬間掉電或暫關(guān)電源時保護(hù)存儲內(nèi)容不丟失0.1～1.0F充電式數(shù)字萬用表替代電池使用后作為電源0.47—2.2F有線電視DTS、IC的備用電源，可保證掉電期間其存儲的電視頻道，計(jì)時器記錄及時鐘內(nèi)容不丟失0.047～0.1F電梯存儲記憶設(shè)定的數(shù)據(jù)0.47～4.7F系統(tǒng)板更換電源電壓波動期間，作為裝用CMOS微處理器、SRAM、DRAM的PC板的備用電源0.047～1.0F可編程控制器更換電池時存儲器的備用電源（電池備用電源支持系統(tǒng)），掉電期間作為存儲器備用電源（電容備用電源支持系統(tǒng)）0.047～2.2F太陽能驅(qū)動裝置無光照系統(tǒng)的工作電源1.0～4.7F衛(wèi)星電視接收機(jī)頻道存儲器的備用電源0.047～0.47F第十八頁，共65頁。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，市場大于電池第十九頁，共65頁。背景節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展和諧社會第二十頁，共65頁?；瘜W(xué)電容器基本原理ECUST雙電層第二十一頁，共65頁。化學(xué)電容器基本原理氧化物第二十二頁，共65頁?；瘜W(xué)電容器基本原理導(dǎo)電聚合物第二十三頁，共65頁。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)、界面等第二十四頁，共65頁。電化學(xué)電容器電極材料

過渡金屬氧化物優(yōu)勢：

比電容高α-RuO2·nH2O可達(dá)698F/g

不足：

比表面積釕的價格第二十五頁，共65頁。電化學(xué)電容器電極材料

導(dǎo)電聚合物優(yōu)勢：

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)定性第二十六頁，共65頁。電化學(xué)電容器電極材料

多孔炭根據(jù)雙電層原理，電極表面的雙電層電容約為20μF/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

第二十七頁，共65頁。碳ECUST第二十八頁，共65頁。多孔炭材料活性炭ActivatedCarbonAC

活性炭纖維ActivatedCarbonFiberACF炭氣凝膠CarbonGel泡沫炭CarbonFoam炭納米管CarbonNanotubeCNT玻璃炭CarbonGlass第二十九頁，共65頁。

CarbonNanotubeActivatedcarbonfiber第三十頁，共65頁。多孔炭材料ECUST第三十一頁，共65頁。電化學(xué)電容器對多孔炭材料的要求Q=1/2CVE=QV=1/2CV2表面積第三十二頁，共65頁。電化學(xué)電容器對多孔炭材料的要求孔結(jié)構(gòu)（孔徑、形狀）第三十三頁，共65頁。電化學(xué)電容器對多孔炭材料的要求孔結(jié)構(gòu)第三十四頁，共65頁。電化學(xué)電容器對多孔炭材料的要求表面官能團(tuán)（潤濕性、贗電容）贗電容表面潤濕性位阻效應(yīng)穩(wěn)定性第三十五頁，共65頁。電化學(xué)電容器對多孔炭材料的要求導(dǎo)電性50％Pmi=V2oc/4RbPef/=EF(1-EF)V2oc/4Rb若，EF=0.95,Pef/Pmi=0.19密度F/g其它第三十六頁，共65頁。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)電性能第三十七頁，共65頁。研究思路結(jié)構(gòu)合成工藝性能前驅(qū)體第三十八頁，共65頁。研究思路結(jié)構(gòu)第三十九頁，共65頁。研究思路

ECUST第四十頁，共65頁。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)材料來源廣價格低無污染第四十一頁，共65頁。研究思路—原料選擇

樹脂煤

組成穩(wěn)定組成不穩(wěn)定灰分小灰分高價格較高價格低

研究較多研究少第四十二頁，共65頁。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)活化法第四十三頁，共65頁。前驅(qū)體的選擇優(yōu)勢缺點(diǎn)價格低灰分高資源豐富煤質(zhì)多變

第四十四頁，共65頁。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)

第四十五頁，共65頁。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第四十六頁，共65頁。研究思路—樹脂基活性炭材料文獻(xiàn)綜述原料選擇少對炭化工藝研究多，共混樹脂的性能研究少對結(jié)構(gòu)仍不能有效控制第四十七頁，共65頁。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、污染大無機(jī)組分對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)理不清楚第四十八頁，共65頁。研究思路—煤基活性炭材料擬采取制備工藝（創(chuàng)新點(diǎn)）采用最新的選礦方法—電選法脫灰研究無機(jī)組分對活性炭及其電化學(xué)性能的影響通過調(diào)節(jié)無機(jī)組分控制孔徑微波輻射法消除表面官能團(tuán)無機(jī)組分調(diào)節(jié)表面官能團(tuán)第四十九頁，共65頁。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第五十頁，共65頁。研究思路—煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理煤的結(jié)構(gòu)

希爾施(Hirsch)物理結(jié)構(gòu)模型

第五十一頁，共65頁。研究思路—煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理煤的結(jié)構(gòu)本田兩相模型

第五十二頁，共65頁。研究思路—煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理煤的結(jié)構(gòu)本田化學(xué)結(jié)構(gòu)模型第五十三頁，共65頁。研究思路—煤基活性炭材料煤炭活化機(jī)理煤的結(jié)構(gòu)威斯(Wiser)化學(xué)結(jié)構(gòu)模型

第五十四頁，共65頁。電容器的組裝活性炭＋導(dǎo)電材料＋粘結(jié)劑成型封裝灌電解質(zhì)加壓封裝第五十五頁，共65頁。AndrewBurkeJournalofPower

Sources91(2000)37–50第五十六頁，共65頁。研究進(jìn)展

“Nanogate”

第五十七頁，共65頁。研究進(jìn)展

電容器向快速充電與大功率電池邁進(jìn)充電1分鐘即可驅(qū)動小型筆記本電腦運(yùn)行近1個半小時.在2004年10月于幕張MESSE舉行的IT博覽會“CEATECJAPAN”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個小時。但“電雙層電容器”卻大幅縮短了這一時間。可半永久性使用無需更換。第五十八頁，共65頁。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)子公司高級電容器技術(shù)（ACT）公司經(jīng)營管理部長江口純一解釋說：“通過采用制造方法與分子結(jié)構(gòu)與原來完全不同的碳，使得單位面積