【碳材料】第五章-儲(chǔ)能碳材料-超級(jí)電容器電極材料課件

1第二講超級(jí)電容器電極材料第五章儲(chǔ)能碳材料一、電容器基礎(chǔ)知識(shí)電容器的儲(chǔ)電機(jī)理 對(duì)于任何一個(gè)不受外界影響的“孤立”導(dǎo)體而言，當(dāng)導(dǎo)體帶電時(shí)其所帶的電量Q與相應(yīng)的電位U之比，是一個(gè)和導(dǎo)體所帶的電量無(wú)關(guān)的量，稱為孤立導(dǎo)體的電容，即： 地球的電容：700uF注：1庫(kù)倫約為6.25×1018個(gè)電子的電量2.平板電容器3.介電常數(shù)及介電質(zhì)不同的材料具有不同的介電常數(shù)（1）中性介質(zhì)： 非極性的有機(jī)薄膜材料(如聚四氟乙烯聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等)及某些浸漬材料(如石胳、純地臘凡士林、電容器法等)。穩(wěn)定，介電常數(shù)?。?.8-2.6）（2）極性介質(zhì)： 滌綸、聚碳酸酯、聚砜、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、纖維素。不穩(wěn)定，介電常數(shù)大（3.0-6.5）（3）離子結(jié)構(gòu)介質(zhì) 玻璃、云母、陶瓷、鈦酸鹽，穩(wěn)定，介電常數(shù)可高達(dá)102－105平板電容器的電容 以離子結(jié)構(gòu)的介電質(zhì)的最高介電常數(shù)計(jì)算105計(jì)算，如果面積S為1.0m2，即10000cm2，平板間距d為0.2mm，即0.02cm，則容量為4420uF，即0.044F。5.電容器的應(yīng)用 （1）阻絕直流、耦合交流：交直流互變（2）濾波、調(diào)諧：無(wú)線電（3）短暫小容量?jī)?chǔ)能：閃光燈二、超級(jí)電容器因何而超級(jí)？

Super-capacitor，ultra-capacitor

如果面積S為1000m2，即107cm2，平板間距d為1.0nm，即10-4cm，則容量為885F，如果電壓為1.0V，以1.0A電流放電，放電時(shí)間可達(dá)885s，即885As，換算成電池的容量單位為245mAh。如何實(shí)現(xiàn)？ 采用活性炭和離子溶液作為電介質(zhì) 兩個(gè)轉(zhuǎn)變：平板→多孔材料，使比表面積增大 固體介電質(zhì)→離子型溶液，d大大減小作為電極的多孔材料中的電荷與吸附在孔壁上的離子構(gòu)成雙電層，因此也叫雙電層電容器。

2.超級(jí)電容器特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域2.1特點(diǎn)體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大30~40倍充電速度快，10秒內(nèi)達(dá)到額定容量的95%失效開路，過(guò)電壓不擊穿，安全可靠超長(zhǎng)壽命，可長(zhǎng)達(dá)40萬(wàn)小時(shí)以上

2.2用途（1）電動(dòng)車 啟動(dòng)：可以輸出幾秒到幾十秒的瞬間大電流，承擔(dān)設(shè)備啟動(dòng)所需要的大功率電能，常用于各類電動(dòng)汽車和重型機(jī)械設(shè)備中，單體容量50F以上，50000F以下，可幾個(gè)到幾百個(gè)串聯(lián)使用，組件電壓從12VDC直到700VDC以上 牽引：可以連續(xù)幾分鐘到幾十分鐘輸出較高強(qiáng)度的電流，在許多場(chǎng)合可以替代傳統(tǒng)的蓄電池承擔(dān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)所需的電能供應(yīng)工作，單體容量最高可達(dá)到100000F以上，可以幾個(gè)到幾百個(gè)串并聯(lián)使用，組件電壓從12VDC直到800VDC以上 （2）風(fēng)力發(fā)電3.超級(jí)電容器的主要構(gòu)成 電極材料 電解液 集電體 隔膜 封裝材料4.超級(jí)電容器電極材料4.1活性炭電極材料（1）生物質(zhì)活性炭一種椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)（2）超級(jí)活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙基四氟硼酸銨聚碳酸酯乙腈電極材料的比電容與比表面積呈正比不同的電解液容量不同(3)孔結(jié)構(gòu)與比電容的關(guān)系微孔：小于2nm，中孔：2－50nm對(duì)于硫酸電解質(zhì)，相對(duì)直徑較大的孔有利于比容量的增加（4）模板合成中孔碳稀硫酸體系第三講燃料電池用碳材料H2一.質(zhì)子膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)二.材料及功能1.質(zhì)子膜： 傳導(dǎo)H＋質(zhì)子并阻止非質(zhì)子的通過(guò)，絕緣，耐高溫（200攝氏度以上），由無(wú)機(jī)參雜的聚合物構(gòu)成。2.擴(kuò)散層：碳紙或碳布因?yàn)橐ㄈ霘錃饧把鯕?，必須具有高透氣性的功能，在材料的選擇上必須采用多孔透氣材料。氣體擴(kuò)散層所處環(huán)境同時(shí)存在還原介質(zhì)與氣化介質(zhì)，所以必須具有抗腐蝕能力。因此選擇碳材料作為氣體擴(kuò)散層的主要材料。扮演電流的傳導(dǎo)器，因此氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電度必須有一定水準(zhǔn)以上。為了確保電池組的溫度均勻分布，氣體擴(kuò)散層必須是熱的良導(dǎo)體。氣體擴(kuò)散層必須具有足夠的抗彎曲強(qiáng)度來(lái)抵抗操作壓力及熱循環(huán)穩(wěn)定性。碳紙?zhí)疾糆lectrochimicaActaVolume52,Issue12,10March2007,Pages3965–3975Oneisthatcarbonclothismoreporousandlesstortuousthancarbonpaper.ThesecondisinliquidwatercoverageontheGDLsurface,withcarbonclothbeingrougherandhencelessliquidwatercoveragethancarbonpaper.3.電催化層 以碳黑、碳納米管、石墨、MCMB、石油焦作為Pt等催化劑的載體。催化活性主要取決于載體的結(jié)構(gòu)。Surfaceandcross-sectionalSEMimagesofthecathodecatalystlayerwithoutcarbonblackadditive(a)(b)，withVulcanXC-72Radditive(c)(d)internationaljournalofhydrogenenergy35(2010)11245e11253JournalofCatalysisVolume294,October2012,Pages63–68SEMimagesofPtnanoparticlesdepositedon(a)pristineCNTswith100cyclesofALD（atomiclayerdeposit）andCNTsacid-treatedwith(b)100,(c)200,and(d)300cyclesofALD.4.雙極板 主要材料：石墨要求：致密性好，導(dǎo)電性好，強(qiáng)度高石墨加粘結(jié)劑注塑成型的雙極板Flexuralstrengthofcarbonfabric/graphitehybridcompositebipolarplatewithrespecttothearealdensit