《电化学电容器电容器电极材料研究现状资料讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电化学电容器电容器电极材料研究现状资料讲解（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电化学电容器电容器电极材料研究进展,电化学电容器电容器电极材料研究现状,一. 简介 二. 三种不同的电容器（电极材料是决定电 化学电容器的核心因素） 三. 面临的问题 四. 发展前景 五. 产品,简介,电化学电容器（Electrochemical Capacitor, EC），又称作超大容量电容器（Ultracapacitor）和超级电容器（Supercapacitor）。它是一种介于电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比，电化学电容器具有更高的比容量。与电池相比，具有更高的比功率，可瞬间释放大电流，充电时间短，充电效率高，循环使用寿命长，无记忆效应和基本免维护等优点。因此它在移动
2、通讯，消费电子，电动交通工具，航空航天等领域具有很大的潜在应用价值。,简介,多空碳泡沫是通过高温热分解酚醛树脂以双重模板的方法制备。二氧化硅块的硬质模板和三嵌段共聚物为软质模板。其中百分之50到80是由硅（HIPE）引起的大孔性的，而软质模板因操作程序的不同产生小孔或者中孔性的。最终的材料以BET测试法展现出表面积为600-900 m2g1。他们被用作电化学电容器的电极和锂离子电池的负极。中空泡沫拥有最好的电容性，相当于20 Fg1。在电池结构中在第一次放电器件多微孔泡沫可传输相当于500-600 mAhg1的不可逆电能。紧接着通过抽取锂离子的相当于125-150 mAhg1的可逆的能量。,简
3、介,金属氧化物主要集中在二氧化钌(RuO2)与(MnO2)的研究上，其电导率比碳基材料大两个数量级,且在硫酸溶液中稳定,比电容高达768 F/g ,是目前较理想的金属氧化物电极材料，但其昂贵的价格限制了它的广泛应用。因此寻找一种性能稳定，价格低廉的电极材料成为电化学电容器研究的一个热点。,简介,研究发现Co(OH)2可以作为电化学电容器的替代材料，其比容量小于200F/g，而且制备过程复杂。掺杂Al可以提高活性物质的电化学性能，有利于保持电极材料在充放电过程中的结构稳定。因此在Co(OH)2中掺杂Al，形成Co-Al双氢氧化物结构的电极材料，将其用于超级电容器，将会提高超级电容器的比容量，循环
4、寿命等电化学性能，更重要的是Co-Al的使用降低了制造成本，使大规模应用成为可能。,简介,从原理上讲，电化学电容器的电能存储机理有两种，一种是将电荷存储在电极/电解质溶液界面处电双层中，典型的发高比表面各炭为电极材料；另一种是利用发生在电极表面的二维或准二维法拉第反应存储电荷，一般以某些过渡金属氧化物为电极材料，典型的代表是二氧化钌(RuO2)。,三种不同的电容器,1、双电层型电容器(EDLC) 1.1碳材料活化工艺改性 1.2碳材料中掺杂其它元素 1.3新型碳材料 2、 还原型电容器 2.1金属氧化物 2.1.1 RuO2活性材料 2.1.2 MnO2活性材料 2.1.3其它金属氧化物活性材
5、料 2.2导电聚合物型还原电容器 2.3导电聚合物/金属氧化物,三种不同的电容器,3、混合型电容器 3.1碳材料/导电聚合物 3.2碳材料/金属氧化物 3.3电池型电容器,1、双电层型电容器(EDLC),以碳材料为主的EDLC研究的最早，最为广泛。众所周知，碳材料一直在能量存储装置中发挥着重要作用，比如说：它可以用作电子导电添加剂、电子转移催化剂、嵌入型材料主体及热量转移控制剂等。当然基于上述原因，碳材料也可以用作EDLC电极材料。目前已知可作为EDLC电极活性材料的炭有：活性炭(AC)、炭气凝胶、碳纤维、玻璃碳和碳纳米管等，并且取得了相当的研究成果。因此以下主要从活化工艺改进、掺杂、新材料等
6、方面进行介绍。,1.1碳材料活化工艺改性,一般来说碳的活化过程可以分为两种：热活化和化学活化，以增加材料的孔体积、比表面积及一些易挥发的裂解产物等。Y.M.Tian等通过模板法，由酚醛树脂制备了介孔炭，并与商品化的介孔碳纤维(AVF)和微孔活性炭(MiC)一道在N2中，经1 200高温处理，然后使用30%KOH为电解质，组装了超级电容器。由于材料介孔所占比例增加，晶体结构发生了扩张和重组，从而材料的石墨化程度增加，电导率增加，内阻下降，电容量增加，CV曲线表现出理想的矩形。,有序介孔材料 开放分类： 材料、科技 有序介孔材料是上世纪90年代迅速兴起的新型纳米结构材料，它一诞生就得到国际物理学、
7、化学与材料学界的高度重视，并迅速发展成为跨学科的研究热点之一。有序介孔材料虽然目前尚未获得大规模的工业化应用，但它所具有的孔道大小均匀、排列有序、孔径可在250nm范围内连续调节等特性，使其在分离提纯、生物材料、催化、新型组装材料等方面有着巨大的应用潜力。 化工领域 有序介孔材料具有较大的比表面积，相对大的孔径以及规整的孔道结构，可以处理较大的分子或基团，是很好的择形催化剂。特别是在催化有大体积分子参加的反应中，有序介孔材料显示出优于沸石分子筛的催化活性。因此，有序介孔材料的使用为重油、渣油等催化裂化开辟了新天地。有序介孔材料直接作为酸碱催化剂使用时，能够改善固体酸催化剂上的结炭，提高产物的扩
8、散速度，转化率可达90，产物的选择性达100。除了直接酸催化作用外，还可在有序介孔材料骨架中掺杂具有氧化还原能力的过渡元素、稀土元素或者负载氧化还原催化剂制造接枝材料。这种接枝材料具有更高的催化活性和择形性，这也是目前开发介孔分子筛催化剂最活跃的领域。 有序介孔材料由于孔径尺寸大，还可应用于高分子合成领域，特别是聚合反应的纳米反应器。由于孔内聚合在一定程度上减少了双基终止的机会，延长了自由基的寿命，而且有序介孔材料孔道内聚合得到的聚合物的分子量分布也比相应条件下一般的自由基聚合窄，通过改变单体和引发剂的量可以控制聚合物的分子量。并且可以在聚合反应器的骨架中键入或者引入活性中心，加快反应进程，提
9、高产率。 生物医药领域 一般生物大分子如蛋白质、酶、核酸等，当它们的分子质量大约在1100万之间时尺寸小于10nm，相对分子质量在1000万左右的病毒其尺寸在30nm左右。有序介孔材料的孔径可在250nm范围内连续调节和无生理毒性的特点使其非常适用于酶、蛋白质等的固定和分离。实验发现，葡萄糖、麦芽糖等合成的有序介孔材料既可成功的将酶固化，又可抑制酶的泄漏，并且这种酶固定化的方法可以很好地保留酶的活性。 生物芯片的出现是近年来高新技术领域中极具时代特征的重大进展，是物理学、微电子学与分子生物学综合交叉形成的高新技术。有序介孔材料的出现使这一技术实现了突破性进展，在不同的有序介孔材料基片上能形成连
10、续的结合牢固的膜材料，这些膜可直接进行细胞/DNA的分离，以用于构建微芯片实验室。 药物的直接包埋和控释也是有序介孔材料很好的应用领域。有序介孔材料具有很大的比表面积和比孔容，可以在材料的孔道里载上卟啉、吡啶，或者固定包埋蛋白等生物药物，通过对官能团修饰控释药物，提高药效的持久性。利用生物导向作用，可以有效、准确地击中靶子如癌细胞和病变部位，充分发挥药物的疗效。 环境和能源领域 有序介孔材料作为光催化剂用于环境污染物的处理是近年研究的热点之一。例如介孔TiO2比纳米TiO2（P25）具有更高的光催化活性，因为介孔结构的高比表面积提高了与有机分子接触，增加了表面吸附的水和羟基，水和羟基可与催化剂
11、表面光激发的空穴反应产生羟基自由基，而羟基自由基是降解有机物的强氧化剂，可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。此外，在有序介孔材料中进行选择性的掺杂可改善其光活性，增加可见光催化降解有机废弃物的效率。 目前生活用水广泛应用的氯消毒工艺虽然杀死了各种病菌，但又产生了三氯甲烷、四氯化碳、氯乙酸等一系列有毒有机物，其严重的“三致”效应（致癌、致畸形、致突变）已引起了国际科学界和医学界的普遍关注。通过在有序介孔材料的孔道内壁上接校氯丙基三乙氧基硅烷，得到功能化的介孔分子筛CPSHMS，该功能性介孔分子筛去除水中微量的三氯甲烷等效果显著，去除率高达97。经其处理过的水体中三氯甲烷等浓度低于国
12、标，甚至低于饮用水标准。 有序介孔材料在分离和吸附领域也有独特应用。在温度为2080范围内，有序介孔材料具有可迅速脱附的特性，而且吸附作用控制湿度的范围可由孔径的大小调控。同传统的微孔吸附剂相比，有序介孔材料对氩气、氮气、挥发性烃和低浓度重金属离子等有较高的吸附能力。采用有序介孔材料不需要特殊的吸附剂活化装置，就可回收各种挥发性有机污染物和废液中的铅、汞等重金属离子。而且有序介孔材料可迅速脱附、重复利用的特性使其具有很好的环保经济效益。 有序介孔材料具有宽敞的孔道，可以在其孔道中原位制造出合碳或Pd等储能材料，增加这些储能材料的易处理性和表面积，使能量缓慢地释放出来，达到传递储能的效果。 目前
13、在国内已有北京化工大学、复旦大学、吉林大学、中国科学院等多家科研机构和单位从事有序介孔材料的研究开发工作。可以相信，随着研究工作的进一步深入，有序介孔材料像沸石分子筛那样作为普通多孔性材料应用于工业已不遥远,1.1碳材料活化工艺改性,由于经活化处理后材料具有层式的孔结构，高比表面积，大的孔体积及合适的孔径分布。K.S.Xia等使用CO2对有序介孔碳进行活化，制备了一系列的介孔碳材料。研究发现经CO2活化处理后，材料在6 mol/L KOH中表现出了非常好的电容性能。当扫描速率为2 mV/s，950活化6 h后材料达到最大质量比电容223 F/g，最大体积比电容54 F/cm3。在50mV/s时
14、的容量保留达到73%。,1.2碳材料中掺杂其它元素,除了对碳材料进行活化外，还可经过处理使其表面富含某一种官能团。W.Y.Kim等使用SBA-15为可移除模板，含氮碳化物为前驱体制备了富氮官能团的有序介孔碳纳米管。研究发现2 mA时，在1 mol/L H2SO4中材料的最大比电容为205 F/g，循环伏安分析表明材料的稳定性非常好。相似的H.L.Guo等使用硼酸和氮气作为前驱体，NiCl26 H2O为底物，制备了一系列B、N共掺杂的多孔炭(BNC)。电化学研究表明，电流密度为0.1 A/g，BNC-9和BNC-15的最大比电容分别为268、173 F/g。当电流密度增加至1 A/g时，能量密度
15、分别为3.8、3.0 Wh/kg，功率密度为165、201W/kg。,前驱体 有机胺预支撑的层状钛铌酸盐与含Ti4+的聚合阳离子溶液反应后所得产物(称为前驱体) 。 溶胶凝胶法将反应物溶解在水中，经一系列步骤先形成溶胶，通过蒸发等手段将溶胶转化成具有一定结构凝胶即为目标产物的前驱体。 “前驱体”是用来合成、制备其他物质的经过特殊处理的配合料。例如共沉淀法、溶胶-凝胶法可以制备粒度较小、且分布均匀、组分均匀、表面能比较大、因而活性很高的前驱体。得到的前驱体可以有很多用途，最简单的，在陶瓷烧结中可以明显的降低烧结温度、提高致密度和掺杂元素在陶瓷中分布的均匀性。,1.3新型碳材料,晶须结构有利于离子
16、在材料孔道间进行快速的迁移，Shigenori Numao等通过隔热反应制备出了具有超薄石墨壁的介孔碳纳米晶须(MCDs)。扫描速率在400 mV/s，峰电流密度超过40 A/g时，材料的循环伏安曲线呈现出完美的矩形。当电极材料达到300 mm厚时，最大功率密度可达到1.510W/kg，最大能量密度可达到2.6 Wh/kg。K.W.Chang等使用凝胶型酚醛树脂为有机底物，制备了具有高比表面积的中空介孔炭球。25 mV/s时，最大比电容可达到132 F/g，1 000 mV/s的容量保留达90%，并且在251 000 mV/s范围内CV曲线表现出理想的矩形。,2、 还原型电容器,2.1金属氧化物 自1971年首次报道RuO2可用作电极材料以来，对RuO2在超级电容器领域应用进行了系统而全面的研究。经过理论计算可知，金属氧化物所产生的还原电容是双电层电容的10100倍。因此对于大容量电容器的应用来说，此类材料有着广阔的发展空间。,2.1.1 RuO2活性材料,不同的制备方法会使同样的材料表现出明显的性能差别。V.D.Patake等通过电沉积的方法在不锈钢底物上沉积了无定形和多
