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          超級電容活性炭

          發布時間:2021/5/27 15:33:24 作者:天都化機


          超級電容活性炭


          超級電容器

          超級電容器是一種介于傳統電容器和電池之間的新型儲能元器件,它既具有電容器快速充放電的特性,同時又具有電池的儲能特性。超級電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件。當電極與電解液接觸時,由于庫侖力、分子間力及原子間力的作用,使固液界面出現穩定和符號相反的雙層電荷,稱其為界面雙層。把雙電層超級電容看成是懸在電解質中的2個非活性多孔板,電壓加載到2個板上。加在正極板上的電勢吸引電解質中的負離子,負極板吸引正離子,從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。雙電層電容器根據電極材料的不同,可以分為碳電極雙層超級電容器、金屬氧化物電極超級電容器和有機聚合物電極超級電容器。

          與蓄電池和傳統物理電容器相比,超級電容器的特點主要體現在:

          ①功率密度高??蛇_102~104 W/kg,遠高于蓄電池的功率密度水平。

          ②循環壽命長。在幾秒鐘的高速深度充放電循環50萬次***100萬次后,超級電容器的特性變化很小,容量和內阻僅降低10%~20%。

          ③工作溫限寬。由于在低溫狀態下超級電容器中離子的吸附和脫附速度變化不大,因此其容量變化遠小于蓄電池。商業化超級電容器的工作溫度范圍可達-40℃~+80℃。

          ④免維護。超級電容器充放電效率高,對過充電和過放電有一定的承受能力,可穩定地反復充放電,在理論上是不需要進行維護的。

          ⑤綠色環保。超級電容器在生產過程中不使用重金屬和其他有害的化學物質,且自身壽命較長,因而是一種新型的綠色環保電源。

          早期的超級電容器的電極采用碳,碳電極材料的表面積很大,電容的大小取決于表面積和電極的距離,這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離,使超級電容器的容值可以非常大,大多數超級電容器可以做到法拉級,一般情況下容值范圍可達1-5000F。

          超級電容器通常包含雙電極、電解質、集流體、隔離物四個部件。超級電容器是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的電容量的。在超級電容器中,采用活性炭材料制作成多孔電極,同時在相對的兩個多孔炭電極之間充填電解質溶液,當在兩端施加電壓時,相對的多孔電極***別***正負電子,而電解質溶液中的正負離子將由于電場作用分別***到與正負極板相對的界面上,從而形成雙集電層。

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          超級電容電極材料條件

          為了保證所得電化學超級電容器具有良好的性能,所選擇的電極材料必須容易在電極/電解質界面上形成較高的雙電層電容或法拉第電容,并具有適當的力學穩定性,以及良好的電子、離子導電性。在電化學電容器的研究開發過程中,人們先后發展使用了許多不同的電極材料,目前電化學超級電容器的電極材料主要有碳電極、金屬氧化物電極和導電聚合物電極。由于電極材料是決定超級電容器性能的核心因素,超級電容器要求電極材料必須滿足以下幾個條件

          (1) 具有內部連通的孔洞;

          (2) 非常大的單位體積或單位質量的表面積;

          (3) 對電解液具有良好的浸潤性;

          (4) 較高的固體網絡的電導率;

          (5) 化學穩定性好,不與電解液發生化學反應;

          (6) 使用壽命長;

          (7) 價格低廉易得等,以獲得較高的能量密度和功率密度。

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          超級電容活性炭通常稱為超級活性炭或炭電極材料,具有超大的比表面積,孔集中,低灰,和導電性好等特點,適用制造高性能電池,雙電層電容器產品及重金屬回收的載體。高純度和超微細的超級電容器專用活性炭具有高比表面積和發達的中孔,孔隙結構分布合理,表觀密度適中,是別類活性炭無可代替。

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          超級電容活性炭處理方法

          一種超級電容器用活性炭的處理方法,其特征是用金屬離子Al+3、Li+1、Zn+2、Cu+2、Tl+1、Pb+2中的任何一種在活性炭表面進行欠電位沉積,為電化學雙層電容器***法拉第準電容??梢詫⑺鲭x子溶液的任一種加入超級電容器KOH電解液中,也可以用所述離子溶液的任一種修飾活性炭粉,使其微孔里沉積該種離子。

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          活性炭電極材料

          碳是***早被用來制造超級電容器的電極材料,從1954年Beck發表的相關***以來,***今已經有半個世紀的發展歷史了。碳電極電容器主要是利用儲存在電極/電解液界面的雙電層能量,其比表面積是決定電容器容量的重要因素。根據雙電層理論,電極表面的雙電層電容平均約為25μF/cm2,若比表面積為1000m2/g,則電容器比容量為250F/g。目前,碳的比表面積可達2000m2/g,水系和非水系的比電容可達280F/g和120F/g。除此之外,碳材料的表面性能(***能團)、導電率、表觀密度等對電容器性能也有影響?,F在已有許多不同類型的碳材料被證明可用于制作超級電容器的極化電極,如活性炭(AC)、活性炭纖維(ACF)、碳氣溶膠(CAGs)及碳納米管(CNT)等。目前有人采用PVdF-HFP***電解質作為粘接劑與活性炭粉末一起制得的碳電極,比表面積為2500m2/g,比容量為123F/g,循環壽命可達104次。此外,一些新型的碳材料,如C60、碳納米管等在電化學電容器方面的應用也取得了一定的進展,但是碳納米管制備困難,生產成本較高,這是***其應用的***問題。

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          活性炭(AC)

          活性炭是超級電容器使用***多的電極材料。它具有原料豐富、價格低廉、成型性好、電化學穩定性高、技術成熟等特點?;钚蕴?/span>雙電層電容器的比容與其比表面積和孔徑分布有關。一般認為活性炭的比表面積越大,其比容就越高,所以通??梢酝ㄟ^用***表面積的電極材料來獲得高比容量。目前,常用活化方法來增加它的比表面積,主要有化學活化和物理活化:化學活化是利用某些酸(如HNO3)或堿(如KOH)進行化學腐蝕,以增加材料的比表面積和表面***能團,或用表面活性劑(如油酸鈉)對材料進行化學改性,以提高電解液在材料中的浸潤性,從而提高比電容。Lota G等在850℃條件下用KOH對AC進行活化后,AC比表面積,比電容和能量密度都獲得了顯著的提高,在1mol/LH2SO46mol/LKOH水溶液電解液中比電容達到200F/g,在1mol/L(C2H5)4NBF4電解液中比電容達到150F/g,并且充放電性能得到很好的提高;物理活化是物理活化是將前軀體利用水蒸汽或二氧化碳等活化媒,促進表面孔洞結構的形成,增加比表面積,因而形成適合吸附的孔洞,從而增大材料的比電容。Alar Janes等利用水蒸氣對商用納米多孔碳在950-1050℃內進行活化,在1050℃活化時的比表面積達到2240m2/g。

          目前已制備出比表面積超過3000m2/g的活性炭材料,但用于超級電容器電極時其真正的利用率僅為30%左右,因此,目前通常使用的AC比表面積為1500m2/g左右,一般不超過2000m2/g,其***比容量達到280F/g(水系電解液)和120F/g(非水系電解液)。

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          活性碳纖維(ACF)

          活性碳纖維是隨著工業的發展在1970年代才開始得到發展的一種新型***吸附材料,它是性能優于活性炭的***活性吸附材料和環保工程材料,活性炭含有大的開放性空孔,具有***的吸附性、耐***品性、疏水性、電子供應性以及***表面積等特質?;钚蕴祭w維的制備,形成活性炭的前軀體,經過穩定化、炭化處理,具有較高的比表面積。Bin Xua等用CO2碳化聚丙烯腈,優化碳化溫度,在600℃條件下獲得了較大的比表面積,合適的孔徑分布的活性碳纖維網狀結構材料。由于纖維本身具強度和成型性佳都是活性炭所缺乏的,并且活性碳纖維***的優勢在于,纖維本身能***良好反應路徑,能藉由制程控制孔徑大小和孔徑分布,經過活化后的碳纖維拿來做電極材料,會具有較集中孔洞分布和較小的孔洞(能用來儲存電荷),而且具有很強的吸脫附能力。若施予適當的處理,會得到相當大的比表面積(大多數是微孔)。因此,適合拿來做超級電容器的電極材料。但是,由于活性碳纖維成本較高,***其工業化的生產。

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          炭氣***CAGs

          炭氣***是一種新型輕質納米多孔無定型碳素材料。特點是具有性能穩定,充放電效率高,適合于大電流充放電,同時在高比表面活性碳中添加炭氣***,可以提高電極的比電容,碳氣***含量為15%時,電極比電容***。由于比表面積高,密度變化范圍廣,在電學、熱學、光學等方面具有特殊性能,有著廣泛的應用前景,特別是它的***表面積和高導電率使其成為超級電容器的理想電極材料。炭氣***的制備相對比較復雜,一般可分為三個步驟:即形成有機***、超臨界干燥和炭化。其中有機***的形成可得到具有三維空間網絡狀的結構***;超臨界干燥可以維持***的織構而把孔隙內的溶劑脫除;炭化使得***織構強化;增加了機械性能,并保持有機***織構。Meng等通過溶膠/***合成的炭***的中孔含量高、孔容大,平均孔徑達81.89nm,制成電極的比容量為121F/g,且充放電效率為95%。炭***雖然性能優良,但漫長的制備時間,昂貴而復雜的超臨界干燥設備制約了它商品化的進程。目前,炭***雙電層電容器研究的方向是控制反應條件,制備具有特定孔結構的炭***的同時尋找可以代替超臨界干燥的其他干燥方法。

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          碳納米管CNTs

          碳納米管是由單層或多層碳石墨片層卷曲而成的無縫中空管,管徑在14-100nm, 因此具有比表面積大,結晶度高、導電性好、微孔集中且大小可控等優點,是一種能充分利用準電容儲能原理儲能的理想電極材料。碳納米管的另一個重要特點是具有獨特的中空管腔結構(孔徑多在2-50nm),呈交織網狀分布,且微孔大小可通過合成工藝加以控制。所以碳納米管在作為雙電層電容器的電極時,具有很高的比表面積利用率。據現在報道的文獻來看,用碳納米管作電極材料大致有兩種方法:一種是加粘合劑成型法;另一種是直接經過濾加熱成型。采用直接熱成型法作的電容器電極材料,單位比表面積為430m2/g;用38%的***作電解液,聚合物做隔層,***容量可達113F/g,在0.1Hz時,其容量可達108F/g。采用粘合成型而成的電容器電極材料,也采用38wt%的***作電解液,酚醛樹脂作粘合劑,玻璃纖維做隔層,石墨片做集電體,比容量可達15.25F/cm2,后來經過進一步改進,電容器的比容量可達107F/cm2,即600F/g。

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          超級電容活性炭是一種新型高吸附活性炭,主要用于超級電容器(也稱雙電層電容器、電化學電容器),具有超大的比表面積,電化學性能好,容量高等特點。超級電容是近幾年才批量生產的一種無源器件,介于電池與普通電容之間,具有電容的大電流快速充放電特性,同時也有電池的儲能特性,并且重復使用壽命長,放電時利用***導體間的電子(而不依靠化學反應)釋放電流,從而為設備***電源。超級電容器極長的工作壽命和快速充放電特性,也在電動車輛、混合動力車輛、電動工具、電動玩具、鐵路系統、電力系統等廣泛的領域得到應用。

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