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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划超级电容材料超级电容材料XX-06-1113:03:16|分类：|标签：|字号大中小订阅超级电容器都可以分为四大部分：双电极、电解质、集流体和隔离物。当前，人们研究的热点是电极材料和电解质，电极材料的研究主要在四个方面：碳电极材料，金属氧化物及其水合物电极材料，导电聚合物电极材料，以及混合超级电容器。电解质需要具有很高的导电性和足够的电化学稳定性，以便超级电容器可以在尽可能高的电压下工作。现有的电解质材料主要由固体电解质、有机物电解质和水溶液电解质。1碳材料主要研究的是具有高比表面积
2、和内阻较小的多孔碳材料、碳纳米管以及对碳基材料进行改性的含碳的复合材料等。2纯碳材料在种类繁多的碳材料中，常用的有活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、纳米碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶、玻璃碳、网络结构碳和某些有机物的炭化产物等。而当前研究前景较好的是碳纳米管和碳气凝胶。3碳复合材料采取工业界新研制的BET表面积达1654m2/g，15nm孔径占75的高性能活性炭作为超电容器电极材料，同时添加高比表面积、高导电性的纳米炭黑作为导电剂，利用超声混合技术制备活性炭/炭黑复合电极，通过循环伏安和恒流充放电实验研究制备的活性炭/炭黑复合电极在水系电解液中的电容行为，实验结果表明复合电极显示出良好的电容行为和较好
3、的功率特性，复合电极比容量达到F/g2金属氧化物以及水合物材料常见金属氧化物及水合物材料的介绍一些金属氧化物以及水合物是超级电容器电极的很好材料，金属氧化物电极在超级电容器中产生的法拉第准电容比碳材料电极表面的双电层电容要大许多。因为在氧化物电极上发生快速可逆的电极反应，而且该电极反应能深入到电极内部，因此能量存储于三维空间中，提高了能量密度。Ru的氧化物以及水合物作为超级电容器电极材料的研究报道很多，而且性能也比较好，但是Ru属于贵金属，成本较高，并且有毒性，对环境有污染，不利于工业化大规模生产。因此，人们开始寻找其他廉价的金属材料来代替Ru。氧化锰资源广泛，价格低廉，具有多种氧化价态，而且
4、对环境无污染，在电池电极材料和氧化催化材料上已经广泛地得到应用。除了氧化锰之外，氧化镍也是研究的重点。有研究者采用液相法合成了NiO电极，单电极比容量达到256F/g，双电极比容量也达65F/g，比能量和比功率分别达到40kJ/kg和17W/kg。氧化钴材料也是一种具有发展潜力的超级电容器电极材料。有人使用醇盐水解法制金属复合材料金属复合电极材料目前研究的重点是找出合适的金属或氧化物来替代Ru，减少Ru的用量，降低成本，并提高电极材料的比电容。程杰等15采用超薄型烧结复合镍钴电极(Co：Ni约1：4，厚度为)为正极，用比电容达250F/g的活性炭电极为负极，7mol/LKOH溶液为电解液组装成
5、的超级电容器,恒流充放电效率高，倍率性能较好，自放电较小，比能量达到16Wh/kg，最大比功率达10kW/kg(以正、负电极质量之和为基准)。张宝宏等16在MnO2中添加了PbO，用以抑制电化学惰性物质Mn3O4的生成和积累，从而改善电极的性能。由其实验数据可知，添加2%-PbO的MnO2电极比容量达到F/g，比无添加剂的MnO2电极的比容量高出%。从XX次的循环性能看，在电流密度为50mA/cm2时，添加-PbO的MnO2电极仍具有较好的循环性，容量衰减不到10%。导电聚合物电极材料导电聚合物是一种新型的电极材料，其贮能机理是：通过电极上聚合物中发生快速可逆的n型、p型元素掺杂和去掺杂氧化还
6、原反应，使聚合物达到很高的贮存电荷密度，从而产生很高的法拉第准电容。充电时,电荷在整个聚合物材料内贮存,比电容大，导电聚合物具有塑性，易于制成薄层电极，内阻小。聚合物电容器的比能量和比功率分别为3050Wh/kg和220kW/kg，其比电容是碳电极材料的56倍，且聚合物电极材料可确保电容器在310312V的电压下工作，成本低，有较大研究价值。超级电容器是一种新型的储能装置，具备充放电快、效率高、稳定性好等优点，是一种清洁的绿色能源，是21世纪的新型绿色能源。超级电容器有很大的(转载于:写论文网:超级电容材料)市场潜力。通过对超级电容器电极材料进行研究，发现多孔碳材料作为超级电容器电极材料的电化
7、学性能的影响。目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有
8、重大意义。目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。1、活性炭材料对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达10003000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。是一种已经商品化的超级电容器电极材料。活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。2、炭气凝胶电极材料炭气凝胶是一种交
9、联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大，孔隙率高，孔径分布广，是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。密度跨度大，孔隙率好，而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料，同时，在制备的时候，可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度。3、碳纳米管碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。从超级电容器对电极材料的要求上看，碳纳米管材料是非常适合用来做电极材料的，因为碳纳米管的结构是空管的形状，表面积大，尤其是壁很薄的碳纳米管，比表面积更大，非常有利于双电层电容的储备。碳纳米管要是制成电极时，还会具备特殊的孔，这些孔是由微
10、观状态下，碳纳米管互相缠绕，好似网状结构，管与管之间就形成了孔洞的结构，孔与孔之间都是互相连通的，没有堵死的情况，这在用作电极的时候，对于电解液的流通的很重要的。而且这种由管径互相缠绕得到的孔不会太小，一般都是属中孔，这会使电极的内阻很低，这些都是超级电容器电极所需要具备的。目前对碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要集中在将它直接用于超级电容器上，或者将碳纳米管和别的材料复合用作超级电容器。4、活性炭纤维活性炭纤维是一种环保材料，具有比活性炭更加优越的吸附性能，由它得到的高表面积的活性炭纤维布已经成功用于商业化的电极材料。5、石墨烯全世界有很多研究者都对石墨烯进行研究，石墨烯的制备方法有很
11、多,包括胶带剥离法、SiC分解法、氧化石墨还原法等，其中氧化还原法是目前用到最多的方法，该种方法制备的石墨烯产量高、质量好、工艺相对简单。但是该方法也有一些缺点，比如经过强氧化剂氧化后的石墨烯不容易被彻底还原、使用的还原剂一般都有剧毒等。石墨烯具备很多其它材料所不具备的特点，它的优点主要有导电性好、表面积大、密度小、特殊的导热性能和光学性质、高力学性能等，这些都理想超级电容器电极材料的要求。6、金属氧化物材料金属氧化物材料是除了碳材料外用在超级电容器上的有一大类材料，其储电原理不同于碳材料的双电层储电方式，它主要是采用法拉第准电容原理，要比双电层电容大很多，法拉第准电容是一种高度可逆的化学吸脱
12、附反应或者氧化还原反应，可以发生在电极和电解液的界面上，也可以发生在电极内部，比电容要比双电层电容大。7、导电聚合物材料导电聚合物材料是超级电容器电极材料的又一大类，其电容也是主要来自法拉第准电容，它们被制作成电极后，一小部分是双电层电容发生在电极溶液界面，更多的是氧化还原反应时高度可逆的法拉第准电容。因为导电聚合物有塑性，很容易制得内阻小，成本较低的薄层电极，很值得研究。超级电容器电极材料研究进展魏祥当前，化石能源短缺和全球变暖导致的能源和环境问题日益凸显，大力发展清洁和可再生能源成了不可逆转的趋势。超级电容器作为一种介于传统电容器和锂离子电池之间的新型1储能体系，其功率密度显著高于锂离子电
13、池，能量密度是传统电容器的10100倍。同时还具有快速充放电、循环寿命长、库伦效率高及瞬时大电流充放电等特性，应用前景广阔。超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是建立在Helmholz界面双电层理论基础上的一种全新的电容器，超级电容器已在电动汽车、移动通讯、太阳能和风力发电、航空航天和国防科技等方面发挥着重要作用2。1.超级电容器概述超级电容器(supercapacitors或ultracapacitors)，又称电化学电容器(electrochemicalcapacitors)一般由电极材料、电解液、集流体和隔膜等组成，见图1中a和b，其中电极材料是影响其电化学性能的关键因素之一，而电
14、解液则决定着超级电容器的工作电压窗口。一般，超级电容器依据以下几种方式进行分类3：1)根据电解液可分为水系电解液电容器有机电解液电容器以及固态电解液电容器；2)根据电化学电容器的结构可分为对称型电容器和非对称型电容器；3)根据电极材料及储能机理可分为双电层电容器法拉第赝电容器和混合型电容器。图1.a)超级电容器充放电示意图；b)超级电容器装置示意图c)超级电容器工作原理示意图双电层电容器的储能机理是在大比表面积的碳材料电极和电解质界面吸附相反电荷的正负离子，电荷储存在界面双电层中，通过电化学极化进行可逆吸/脱附从而储存和释放能量。双电层电容器的电极主要为多孔碳材料，如活性炭、碳纳米管、介孔、碳
15、和碳化物衍生4碳等。对于这些碳材料，决定双电层电容性能的因素主要有材料比表面积、电导率和孔隙率，但很少有碳电极材料可以在这三个方面均有优异的表现，因此，人们仍在不断研究碳基双电层电容器材料。赝电容器储能机理则是在具有氧化还原活性的电极表面，通过电极和电解质之间发生快速可逆的氧化还原反应进行能量储存和释放。这类电容器的电极材料主要有5表面含有氧化还原活性位的材料，如导电聚合物、金属氧化物或金属氢氧化物。相比于双电层电容器，赝电容器的容量更大，但由于材料的导电性能较差，材料发生氧化还原反应时结构容易被破坏，因此能量密度和循环稳定性能相对较差。作为一种新型储能器件，超级电容器具有其它储能器件不可比拟的优势：1)高电容量。目前单体超级电容器的电容量可达上千法拉；2)电路结构简单。无需像二次电池那样设置特殊的充电电路，不会受过充过放的影响；3)循环寿命长。超级电容器或通过吸脱附，或通过快速可逆的电化学反应进行存储和释放电荷，其循环寿命可达上万次；4)充放电速度快。超级电容器的内阻小，在大电流充放电制度下，能在几十秒内完成充电过程；5)功率密度高。超级电容器高电容量低等效电阻和快速充电性能，使得其具有高比功率；6)温度范围宽。超级电容器的电荷转移过程一般在电极表面进行，其正
