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1、超级电容器用多孔碳材料 的研究进展报告人：周汉涛 导 师：张华民 Seminar II超级电容器应用背景w优良的脉冲充放性能 w大容量储能性能n比能量大于2.5Wh/kgn比功率大于500W/kg w循环寿命长（105次） w环境适应性强 w无记忆效应 w免维护 w对环境无污染w高功率军事装备的激发器 w军用坦克、卡车瞬间启动 w数据记忆存储系统 w系统主板备用电源 w电动玩具车主电源 w太阳能电池辅助电池 w通讯设施、计算机备用电源 w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充放电电次 数 普通电电容 器106超级电级电 容 器0.220.0102104105充电
2、电电电 池20200500104超级电容器以及电极材料分类w双电层电容器（EDLC） w法拉第准电容器 w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w理论比容量:若比表面积为1000m2/g，则电容器比 容量为250F/g。 w活性碳：通过过活化处处理后，微孔数量增加，比表 面积积增大。 w3000m2/g的活性碳，实际实际 表面利用率仅为仅为 10左 右。Anon:2000m2/g，
3、水系280F/g，非水系120F/g 。 w微孔6070，中孔和大孔2030。 w2nm的微孔是不能形成双电层电层 。 活性碳纤维w基体材料是沥沥青和聚合物材料：人造纤维纤维 、酚醛树醛树 脂、聚丙烯烯腈。 w比容量为280F/g，比功率大于500W/kg。 w平均细孔孔径为25nm，细孔容积0315ml/g ，比表面积达15003000m2/g。 w松下电器：导电性能优良的酚醛活性碳纤维。 wHiroyuki等采用热压成型法制备的高密度活性碳纤 维，其密度为0.20.8g/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
4、料性能w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。 w孔隙率达8090，孔径320nm，比表 面积积4001100m2/g，密度范围围0.03 0.8g/cm3，电导电导 率1025S/cm。 w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 w有机凝胶的形成：得到空间网络状结构的凝胶 w超临界干燥：不破坏凝胶结构而把空隙内溶剂脱除 w碳化过程：脱去挥发分又不破坏凝胶结构w美国的R.W. Pelaka：n间苯二酚（R）
5、和甲醛（F） RF凝胶，成本高 n密胺（M）和甲醛（F） MF凝胶，密度大，比 表面积未降低 n热塑性酚醛树脂（P）和糠醛（F） PF凝胶 ，成 本低，周期短 w大连连理工大学的李文翠：酚类类同分异构物混合物 （J）与甲醛醛（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 wRF的EDLC实验室样品：功率密度为7.7kW/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)。 w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。 w
6、Mayer S T制得的碳凝胶，得到双电极比容量达40F/g。 wPowerstor公司以碳凝胶为为原料制做EDLC，比能量和 比功率分别为别为 0.4Wh/kg和250W/kg，该产该产 品已实现产实现产 业业化。 w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 。 w性能优优良，但周期长，超临临界干燥设备设备 昂贵贵而复杂杂。碳纳米管材料特点w碳纳米管材料的优越性：比表面积大、微孔集中在一 定范围内(25nm)，应具有比活性碳电电极高得多的 比表面利用率。 wNiu报报道其基于碳纳纳米管薄膜电电极的比表面积为积为 430m2/g时时，
7、比容量可达40F/g，碳纳纳米管电电极的电电容 量达到理论论双电层电电层电 容量的57。 w中空结结构。如能使电电解质质溶液浸润润碳纳纳米管内腔， 电电容量将明显显提高。 w最高容量可达l13F/g(0.001Hz)，在0.1Hz时时，其容量 可达108F/g，在100Hz时还时还 有49F/g，这这个转变频转变频 率 远远远远 高于活性炭的1Hz。体现现了相对对高频频放电电的优优点 ，这这同样样也预预示着由碳纳纳米管为电为电 极材料做的电电容 器具有高的能量密度，而实验结实验结 果也确实证实证 明它具有 8kW/kg的能量密度。碳纳米管改性w利用剩余的SP3杂化轨道引入官能团，产生法拉第准电
8、 容。E.Frackowiak证实证实 表面官能团团参与氧化还还原反应应 故会形成准电电容，比电电容从80F/g增至137F/g。 wEFrackowiak:掺金属锂的碳纳米管电极在LiClO4电解 液中在153V之间充放电时，表现出良好且独特的高 压下的双电层电容效应，容量可达30F/g(非水电解液) 。 wK.Jurewicz在碳纳纳米管上包覆导电聚合物吡咯，利用吡 咯良好的导电导电 性和碳纳纳米管的开口、中孔网络络以及优优 异的离子导电导电 性，设计设计 一种复合物电电极材料用于超级级 电电容器。在纯纯碳纳纳米管电电极的电电容量为为50F/g情况下， 这这种复合电电极的电电容量可达163
9、F/g。 w掺杂掺杂 75的Ru02xH20时时，电电容器的比容量可达 107F/cm3，即600F/g。孔径分布对性能影响wDenyang Qu研究结果表明，孔径越大，电化学吸附速度 越快。 wGamby J采用中孔孔容和总孔容比为41的粉末活性 碳获得80F/g的单电极比容。 wSoshi Shiraishi 制备了中孔活性炭纤维比容明显大于 普通活性炭纤维。 wLee Jinwoo等平均孔径为2.3nm的中孔碳，制成电容 器的能量密度和功率密度特性都明显优于分子筛碳。 w另外，具有更多2nm以上孔径的碳电极其低温容量减小 得更慢 。 w中孔碳材料制备方法主要有：催化活化法，混合聚合物 碳
10、化法，模板碳化法。 表面特性对性能影响 wAYoshida等研究结果表明，随着ACF表面含氧官 能团含量的增加，电容器的表观漏电流增加。K Hiratsuka等研究发现发现 碳电电极表面氧含量越多的， 容量降低也越多。 wX.Liu在研究发现，经过电化学氧化处理后碳电极 容量从135F/g增加到171F/g，氧化处理后进行还 原处理，容量增加更明显，增加到215F/g。认为 主要是由于碳材料氧化后表面含氧官能团含量增 加而引起的。 w从制备备高容量、耐高压压、稳稳定性好的电电容器角度 出发发，希望活性碳材料表面的官能团团有一个合适 的比例。 展望w比表面积与孔分布：向着提高有效比表面 积和可控微孔孔径的方向发展。 w表面性能、比容量与稳定性：表面官能有 一个合适的比例；须开发新的活性碳原料 、活化技术。 w比表面积与内阻：从材料本身结构出发。谢 谢！
