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基于碳基纤维的柔性超级电容器_麻伍军

基于碳基纤维的柔性超级电容器_麻伍军
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超级电容器电极材料的研究进展

2011年第3期 新疆化工 11 超级电容器电极材料的研究进展 摆玉龙 (新疆化工设计研究院,乌鲁木齐830006) 摘要:超级电容器既具有超大容量,又具有很高的功率密度,因此它在后备电源、替代电源、大功率输出等方面都有极为广泛的应用前景。超级电容器的性能主要取决于电极材料,近年来各国学者对于超级电容器的电极材料进行了大量的研究。 关键词:超级电容器;电极材料 1 前言 超级电容器的种类按其工作原理可以分为双电层电容器、法拉第准电容器(也称为赝电容电容器)以及二者兼有的混合电容器。双电层电容器基于双电层理论,利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来储存能量。法拉第准电容器则基于法拉第过程,即在法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生,不仅发生在电极表面,而且可以深入电极内部。根据这两种原理,目前作为超级电容器的电极材料的主要分为三类[1]:碳材料、金属氧化物及水合物材料、导电聚合物材料。 2 碳材料类电极材料 在所有的电化学超级电容器电极材料中,研究最早和技术最成熟的是碳材料。其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的。碳电极的研究主要集中在制备具有大的比表面积和较小内阻的多孔电极材料上,可用做超级电容器电极的碳材料主要有:活性炭、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶、纳米碳管等。 活性炭(AC)是超级电容器最早采用的碳电极材料[2]。它是碳为主,与氢、氧、氮等相结合,具有良好的吸附作用。其特点是它的比表面积特别大,比容量比铂黑和钯黑高五倍以上[3]。J.Gamby[4]等对几种不同比表面积的活性炭超级电容器进行测试,其中比表面积最大为2315m2·g的样品得到的比容量最高,达到125F/g,同时发现比表面积和孔结构对活性炭电极的比容量和内阻有很大影响。 活性炭纤维(ACF)是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。ACF的制备一般是将有机前驱体纤维在低温(200℃~400) ℃下进行稳定化处理,随后进行炭化、活化(700℃~1000) ℃。日本松下电器公司早期使用活性炭粉为原料制备双电层电容器的电极,后来发展的型号则是用导电性优良、平均细孔孔径2~5nm、细孔容积0.7~1.5m3/g、比表面积达1500~3000m2/g的酚醛活性炭纤维[5],活性炭纤维的优点是质量比容量高,导电性好,但表观密度低。H. Nakagawa采用热压的方法研制了高密度活性炭纤维(HD-ACF)[6],其密度为0.2~0.8g/m3,且不用任何粘接剂。这种材料的电子导电性远高于活性炭粉末电极,且电容值随活性炭纤维密度的提高而增大,是一种很有前途的电极材料。用这种HD-ACF 制作超级电容器电极[7],结果表明,对于尺寸相同的单元电容器,采用HD-ACF为电极的电容器的电容明显提高。 炭气凝胶是一种新型轻质纳米级多孔性非晶炭素材料,其孔隙率高达80%~98%,典型孔隙尺寸<50nm,网络胶体颗粒尺寸3~20nm,比表面积高达60~1000m2/g,密度为0.05~0.80g/m3,是一种具有许多优异性能(如导电性、光导性和机械性能等)和广阔的应用前景的新型材料[8]。孟庆函,

超级电容器研究综述

一、超级电容器的发展与进步 (一)概述 在古代,人们发现了与琥珀及橡皮相摩擦,引起表面贮存电荷的可能性。然而这一效应的缘由直到18世纪中叶方被人们理解。140年后,人们开始对电有了分子原子级的了解。早期的有关莱顿瓶的发现和研究,开启了电容器的序幕。之后,电容器不断的发展起来,现如今,其发展起来的电化学超级电容器,已经应用于国防设备、电力设备、通讯设备、铁路设施、电子产品、汽车工业等方方面面,成为当代社会不可缺少的一部分。 电能能够以两种截然不同的方式存贮:一种间接方式是作为潜在可用的化学能,存贮在电池里。另一种直接的方式,则是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能。超级电容器在存贮电荷时有着两种原理,一种是通过双电层原理,以非法第模式来存贮电能;而另一种则是法拉第模式,通过发生氧化还原反应来产生赝电容。目前双电层型超级电容器一般采用碳材料做电极,通过碳材料的大的比表面积来增加双电层的面积,而赝电容型超级电容器一般采用氧化物或聚合物的材料来做为电极。同时,二者在制作超级电容器的时候也可以并用,从而使得超级电容器也可以划分为对称超级电容器和非对称超级电容器,对称即指电容器的两极的材料相同,非对称则不同。在电解质方面,超级电容器绝大多数均采用液体电解质,如水及其它有机溶剂。 超级电容器的电化学性能分析有很多方法,但通常都包括以下四种图:循环伏安曲线,恒流充放电曲线,交流阻抗谱,循环稳定性曲线。通过这四种图可以比较明确地判断出一个超级电容器的电化学性能的好坏,具体判断方法之后会详细说明。 超级电容器有着非常高的功率密度,但是其能量密度却比较低,它有着极好的循环充放电稳定性但是电压窗口却比较窄。但是人们也在对其进行着不断的研究来改善超级电容器的这些弊端。 (二)超级电容器的原理 超级电容器又称为电化学电容器,是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件,它的出现填补了Ragone图中传统电容器的高比功率和电池的高比能量之间的空白。一方面,与传统电容器相比,超级电容器的电极材料往往选用高比表面积材料,如活性碳,通过静电作用在固/液界面形成对峙的双电层存储电荷,因此超级电容器拥有比传统电容器高的能量密度,静电容量能够达到千法拉至万法拉级;另一方面,与电池能量存储机理类似,超级电容器可以通过法拉第氧化还原反应完成电荷存储和释放,由于主要依靠电极表面或近表面的活性材料存储电荷,超级电容器与电池相比,能量密度较低,但是具有高的功率密度和循环稳定性。 1 传统电容器 传统的平行板电容器是所有静电电容器储能的基础,传统电容器电能的储存来源于电荷在两极板上聚集而产生电场。平行板电容器的静电电容的计算公式为: r是两极板材料的相对介电常数,0是真空介电常数,A是电极板的正对面积,d 是两极板的距离。 2 双电层超级电容器 双电层电容器是通过静电电荷分离,依靠固/液界面的双电层效应完成能量的存储和转化。电解液离子分布可为两个区域——紧密层和扩散层。其双电层电容可视为由紧密层电容和扩散层电容串联而成。双电层电容器正是基于上述理论发展起来的。充电时,电子经外电

电池中添加活性炭与超级电容器

电池中添加活性炭与超级电容器 杨裕生/中国工程院院士 超级电容器的主要不足是比能量不高,而电池的主要问题是要提高比功率和延长循环寿命,二者并联使用在一定程度上可以互补而得到较好的效果。近些年来,在超级电容器和电池的内部进行“交叉”,即在超级电容器里加入电池的电极材料,也在电池中添加活性炭,使二者的性能均有相应的改善而又可简化外电路。随着研究的进展,衍生出许多不同的组合方式,产生了许多新的名称。虽然大多数的组合方式与名称相符,但也有个别是有意无意的名不符实。本文意想整理一下,首先划分“电池”的变种与“电容器”的变种,然后再行细分,供大家讨论。 一、超级电容器及其变种 超级电容器是两个电极均以双电层原理蓄电的储能器件(图1),主要是用活性炭(大比表面的炭)作为储能材料,其电解液有水溶液体系(包括酸、碱、中性)和有机溶液体系,后者可以有较高的电压。超级电容器的主要特性是充放电循环寿命长,比功率高,但比能量低。

混合型超级电容器是一个电极以双层原理蓄电、另一电极为具有氧化—还原作用的电池电极材料的蓄电器件。以双层原理蓄电的电极既可以作为正极也可以作为负极。例1 :正极为PbO2,负极为活性炭(图2a);例2 :正极为NiOOH,负极为活性炭(图2b);例3 :正极为活性炭,负极Li4Ti5O12(图2c)。混合型超级电容器的比功率、比能量介于电池与超级电容器之间,而更接近超级电容器。 混合型电池超级电容器(图3)是混合型超级电容器的活性炭正极中混入小部分锂离子电池电极材料,活性炭仍是该电极的主要成分: ① A.D.Pasquier等报道[J Power Sources 136(2004)160]的混合型电池超级电容器(Hybrid battery-supercapacitor)是由上述例3的混合型超级电容器衍生出的,其正极活性炭电极中加入了少部分的LiCoO2 ;负极仍为Li4Ti5O12 ; ②成都有机所和中料来方的胡学波等报道[J Power Sources 187(2009)635]的混合型电池超级电容器,其正极活性炭电极中加入了

碳基纳米复合材料EDLC超级电容器

摘要 制造并测试了基于活性炭作为主材料电极的超级电容器。MWCNT作为添加剂添加到主体材料中以形成纳米复合材料并且确认MWCNT浓度对改善的影响,研究超级电容器的性能。使用1M TEABF4-PC溶液作为有机电解质。纳米复合材料在改善超级电容的比功率和能量密度方面不同地起作用,测试方法采用阻抗光谱、进行循环伏安法和恒电流充电- 放电测量来表征电容器。 介绍 电化学双层电容器(EDLC)的超级电容器是具有功率密度和能量密度是介于传统电容器和电池之间。随着对具有高功率的能量存储装置的需求长的耐久性增加的提高,超级电容器变得越来越重要。EDLC超级电容器与传统的电容器的区别,是其电极由多孔导体如活性炭组成,其具有巨大的表面积,并且其通过静电力累积并保持电荷/电解质界面的薄层上的电荷或非法拉效应,使得其具有巨大的电容(> 100F / g),并且具有更高的功率和更长的再循环寿命(> 100000个周期)比可充电电池。然而,到目前为止EDLC超级电容器的能量密度不是那么高。 碳质材料如碳气凝胶、粉末和碳纤维是最常用的材料作为超级电容器中的电极,因为碳可具有高表面积,化学和热稳定,成本相对低和环保。提高EDLC性能的方法包括创造新的碳纳米复合材料电极,目的是为了增加电极的导电性和表面积。 在本报告中,探索了一系列用于EDLC的碳基对称电极,使用商用的活性炭粉末作为基本活性材料,碳纳米管作为导电填料。还探讨了在混合溶剂中基于LiPF 6或Et 4 NBF 4的有机电解质的性能,其具有大于3V的电化学窗口。使用VersaSTAT MC分析仪在测试其阻抗谱,循环伏安法和恒电流充电- 放电测试。 实验步骤 1.碳电极 使用表面积为1000m 2 / g的活性炭粉末(AC)作为主体电极材料。在一系列研究中分别以0.15重量%,1重量%和7重量%的重量百分比添加多壁碳纳米管粉末(MWCNT)而没有改性。以5重量%的总固体组分添加PVDF(聚(偏二氟乙烯))作为粘合剂。碳质膜的面密度为4?5mg / cm 2。 2.制作电容器 图1 图1提供了在本研究中制造的超级电容器电池类型的图。电解质为1M Et 4 NBF 4(四氟硼酸四乙铵或TEABF 4)在PC(碳酸亚丙酯)中。盐和溶剂都来自Sigma-Aldrich,Et4NBF4纯度为99%,PC为无水,99.7%纯度。 为了组装电容器电池,切出两个碳质材料涂覆的Al的矩形条并与碳侧面对面组合,将隔膜用电解质溶液浸泡并夹在其间。因此,形成对称电极EDLC单元,其中电极重叠区域被定义为工作区域,其在所有器件中固定为2cm 2。

近十年超级电容器领域的重大突破

近十年超级电容器领域的重大突破 中国储能网讯:与传统电容器相比,超级电容器具有更大的比电容、更高的能量密度、更长的使用寿命等特点,而与锂离子电池相比,超级电容器又具有更高的功率密度、更长的使用寿命及绿色环保等优点。超级电容器在未来储能器件领域占有绝对的优势,在军事、混合动力汽车、智能仪表等诸多领域具有广泛的应用前景。 随着社会的快速发展和人口的急剧增长,资源消耗日益增加,能源危机迫在眉睫,因此,寻找清洁高效的新能源与能源存储技术及装置已成为备受关注的研究课题。与传统电容器相比,超级电容器具有更大的比电容、更高的能量密度、更长的使用寿命等特点,而与锂离子电池相比,超级电容器又具有更高的功率密度、更长的使用寿命及绿色环保等优点。超级电容器在未来储能器件领域占有绝对的优势,在军事、混合动力汽车、智能仪表等诸多领域具有广泛的应用前景。 超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能

器件,通过在电极材料和电解质界面快速的离子吸脱附或完全可逆的法拉第氧化还原反应来存储能量,根据储能与转化机制的不同可将超级电容器分为双电层电容器(Electric double layer capacitors,EDLC)和法拉第准电容器(又叫赝电容器,Pseudocapacitors)。双电层电容器是建立在双电层理论基础之上的,1879年,Helmholz发现了电化学界面的双电层电容性质;1957年,Becker申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的电化学电容器方面的专利(提出可以将小型电化学电容器用做储能器件);1962年,标准石油公司(SOHIO)生产了一种6V的以活性碳(AC)作为电极材料、以硫酸水溶液作为电解质的超级电容器,1969年,该公司首先实现了碳材料电化学电容器的商业化;1979年,NEC公司开始生产超级电容(Super CaPACitor),开始了电化学电容器的大规模商业应用。随着材料与工艺关键技术的不断突破,产品质量和性能不断得到稳定和提升,到了九十年代末开始进入大容量高功率型超级电容器的全面产业化发展时期。超级电容器作为电化学能源存储领域的前沿研究方向之一,近十年内有多个突破性工作,其发展也向着小型化、柔性化、平面化等方向发展。 石墨烯在实验室中是2004年被发现的,当时英国曼彻斯特

超级电容器电极材料研究现状及存在问题

功能材料课程报告 指导老师: 学院:材料科学与工程学院专业:材料加工工程 姓名: 学号: 日期: 2012 年7 月13 日

超级电容器电极材料研究现状及存在问题 摘要:电极材料是决定电容器性能的重要因素,高性能电极材料的开发是超级电容器研发的重点。本文主要讨论了超级电容器阳极材料的研究现状及存在问题,这些材料包括:碳材料、贵金属氧化物、导电聚合物和一些其他材料。复合或混合型电极材料可以显著提高超级电容器的综合性能,已经成为超级电容器电极材料发展的主要趋势。 关键词:超级电容器;电极材料;研究现状;存在问题

1电极材料的研究现状 1.1正极材料 目前用作超级电容器电极的材料主要有三类:碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。 1.1.1碳材料碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。碳电极电容器主要是利用储存在电极与电解液界面的双电层能量,其比表面积是决定电容器容量的重要因素。尽管高比表面的碳材料比表面积越大,容量也越大,但实际利用率并不高,因为多孔碳材料中孔径一般要2nm及以上的空间才能形成双电层,从而进行有效的能量储存。而制备的碳材料往往存在微孔(小于2nm)不足的情况。所以这个系列主要是向着提高有效比表面积和可控微孔孔径(大于2nm)的方向发展。除此之外,碳材料的表面官能团、导电率、表观密度等对电容器性能也有影响[1]。 碳电极电容器其电容的大小和电极的极化电位及电极比表面积大小有关,故可以通过极化电位的升高和增大电极比表面积达到提高电容大小的目的。电极/电解质双电层上可贮存的电量其典型值约为15~40μF·cm-2。选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电容。对理想可极化体系而言,可通过无限提高充电电压而大量储存能量。但是,对于实际体系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制,可通过加大电极比表面积来增加电容值。电容C可由下式给出 C=ε·ε0Ad 式中:ε ε为电导体和内部赫姆霍兹面间区域的相对0为自由空间的绝对介电常数, 介电常数,A为电极表面积,d为导体与内赫姆霍兹面之间的距离。 近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布,并开发出许多不同类型的碳材料,主要有: 多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维、碳气溶胶以及最近才开发的碳纳米管等[2]。 多孔碳材料、活性碳材料和活性碳纤维:这个排列基本代表了碳材料为提高有效比表面积的发展方向。之所以发展为活性碳,主要是在于通过活化处理(如水蒸汽)后,可以增加微孔的数量,增大比表面积,提高活性碳的利用率。这些材料随制作电极工艺的不同先后出现过:活性碳粉与电解液混合制成的糊状电

超级电容器用活性炭电极材料的研究进展

超级电容器用活性炭电极材料的研究进展* 邢宝林,谌伦建,张传祥,黄光许,朱孔远 (河南理工大学材料科学与工程学院,焦作454003) 摘要 活性炭因具有制备简单、成本低、比表面积大、导电性好以及化学稳定性高等特点,作为超级电容器电极材料已得到广泛应用。论述了活性炭电极超级电容器的工作原理及活性炭物化性质对超级电容器电化学性能的影响,介绍了活性炭电极材料的最新研究进展,展望了其应用前景,指出寻找新炭源及活化技术、探索活性炭孔结构和表面性质的有效控制手段、开发活性炭复合材料等是该领域今后研究的重点方向。 关键词 活性炭 电极材料 超级电容器 电化学性能中图分类号:TQ424.1;T M 53 文献标识码:A Research Progress of Activated Carbon Electrode Material for Supercapacitor XING Baolin,CHEN Lunjian,ZHAN G Chuanxiang,H U ANG Guangxu,ZHU Kongyuan (Institute of M ater ials Science and Eng ineering ,H enan Po ly technic U niver sity,Jiaozuo 454003) Abstract A ct ivated car bo n has been used w idely as the supercapacit or elect rode mat erial for its easy av ailabil-i ty,lo w cost,high specific sur face ar ea,excellent elect rical co nductivit y and chemical st abilit y.T he w orking pr inciple of super ca pacito r w ith activ ated carbon as electro de and effect of phy sicochemica l propert ies o f activated carbon on electro chemical perfor mance of supercapacit or ar e discussed,recent r esear ch adv ances and a pplicat ion pr ospect of act-i vated car bon electro de mater ial ar e highlighted.T he fo cus of fut ur e r esear ch such as search for new r aw materials and activat ion technolog y for activat ed carbon,ex plo ring an effectiv e method to contro l t he por e structur e and surface propert ies o f activat ed carbon and develo pment of activated car bo n co mpo site are also po inted o ut. Key words activated car bo n,electr ode mater ial,super capacito r,electro chemical per formance *河南理工大学学位论文创新基金资助(2009-D -01);河南理工大学博士基金资助(648216) 邢宝林:男,1982年生,博士研究生,主要从事洁净煤技术及炭材料方面的研究 E -mail:baolinx ing @https://www.doczj.com/doc/479042564.html, 谌伦建:通讯作者,男,1959年生,博士,教授,博士生导师,主要从事矿产资源利用及炭材料方面的教学和研究工作 E -mail:lunjianc@https://www.doczj.com/doc/479042564.html, 0 引言 超级电容器(Supercapacitor)又称电化学电容器(Elec -t rochem ical capacitor),是一种介于普通电容器与电池之间的新型储能元件,兼有普通电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点,且充电速度快,循环寿命长,对环境无污染,广泛应用于各种电子产品的备用电源及混合动力汽车的辅助电源[1,2] 。 电极材料是超级电容器的核心部件,对超级电容器的性能起着关键性作用,因此研发具有优异电化学性能的电极材料是超级电容器研究中最核心的课题。电极材料主要有多孔炭材料、金属氧化物和导电聚合物3大类[3],其中多孔炭材料因其良好的充放电稳定性而受到学术界和工业界的广泛关注,也是目前唯一已经工业化的电极材料。可用作超级电容器电极材料的多孔炭主要有活性炭、炭气凝胶、炭纳米管等[4,5],其中活性炭因具有比表面积大、化学稳定性高、导电性好以及价格低廉等优点,一直是制造超级电容器电极的首选材料。 本文主要论述了活性炭电极超级电容器的工作原理及 活性炭物化性质对其电化学性能的影响,介绍了活性炭电极材料的最新研究进展,指出了该研究领域的发展方向。 1 活性炭电极超级电容器的工作原理 根据电能储存机理的不同,超级电容器一般分为双电层电容器和法拉第赝(准)电容器两种,前者电极材料主要为多孔炭材料,以双电层形式储存能量;后者电极材料为金属氧化物和导电聚合物,以活性物质表面及体相中的二维或准二 维空间上发生高度可逆的氧化还原反应的形式储存能量[3] 。活性炭电极超级电容器(即双电层电容器)的工作原理如图1所示,一对活性炭电极浸在电解质溶液中,当施加的电压低于溶液的分解电压时,电荷在极化电极/电解液界面重新分布排列,形成紧密的双电层(Electric double layers )存储电荷,但电荷不通过界面转移,该过程中的电流基本上是由电荷重排而产生的位移电流[3]。能量以电荷或浓缩的电子存储在电极材料表面,充电时电子通过外电源从正极传到负极,同时电解质本体中的正负离子分开并移动至电极表面;放电时电子通过负载从负极移至正极,正负离子则从电极表面释放并返回电解液本体中。 #22#材料导报:综述篇 2010年8月(上)第24卷第8期

基于碳布柔性超级电容器负极材料的设计与制备

基于碳布柔性超级电容器负极材料的设计与制备超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的能量储存装置,集高能量密度、高安全性、长寿命等优点于一身,近年来受到了广泛的关注和研究。同时,随着新型材料以及柔性电子工艺的发展,大量轻薄、便携、可折叠的柔性电子设备正不断进入我们的生活,开发出能够与新型电子设备匹配的柔性储能器件成为当前的研究重点。 柔性超级电容器在具备超级电容器特性的同时,又具有良好的机械柔韧性,因此,柔性超级电容器的研究变得日益火热。其中,影响柔性超级电容器电容性能的关键在于电极材料的设计。 本文以柔型超级电容器的电极材料为研究目标,选用导电性好、质量轻、柔性的碳布为初始原料,制备了两种可用于柔性超级电容器的电极材料,研究两种电极材料的电化学性能;并以制备的两种材料作为负极材料,选用合适的正极材料,组装非对称柔性超级电容器,研究其功率密度和能量密度。本文主要研究内容如下:(1)利用湿化学处理方法氧化商用碳布,然后在熔融的NaNH2中活化,制备出活性碳布(MACC)。 所制备的MACC具有氧官能团适中、氮杂原子均匀、润湿性好、表面积大、导电率高、机械强度好等优点。采用三电极测试方法,对所制备的MACC进行了电化学性能测试。 测试结果表明,MACC在电流密度为1 mA cm-2时具有744.5 mF cm-2的高面积比电容,在高电流密度为50 mA cm-2时显示出692.0 mF cm-2的高面积比电容,在6M KOH电解质中电容保持率高达92.93%。以MACC为负极材料,Co(OH)2为正极材料,组装

超级电容器材料综述

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1000~3000m2/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

全印刷柔性超级电容器的制备与研究进展

ADV ANCED TECHNOLOGY 前沿科技DIGITAL PRINTING Tol.200 No.2 2019.4数字印刷 2019年第2期(总第200期) 全印刷柔性超级电容器的制备与研究进展 吴 伟,梁 静 (武汉大学 印刷与包装系 可印刷功能材料与印刷电子实验室,武汉 430072) 摘要 便携式和可穿戴电子设备正朝着小型化、轻薄、柔性和智能化的方向发展,与之对应的能量存储器件也应该具有柔性、安全和轻便的特点。为了满足这些需求,印刷柔性超级电容器正引起广泛关注。本研究结合作者所在课题组近年来的研究进展,从电极材料合成和器件设计等方面对全印刷方法制备柔性印刷超级电容器进行介绍。科研人员研制了一系列具有良好印刷适性的赝电容电极材料墨水或油墨作为超级电容器核心的电极材料,包括金属氧化物、导电聚合物及其复合材料等。并借助印刷方法,在多种基材上制备柔性印刷超级电容器,例如纸张、多种织物和柔性薄膜。通过器件的合理设计,实现了大电压和高能量密度的输出,并且这些印刷的柔性超级电容器,在弯曲或拉伸的状态下均可驱动LED 灯。这种具有良好柔性的全印刷固态超级电容器为可穿戴电子的能量供应提供了新的设计思路。 关键词 可穿戴设备;功能油墨;印刷电子;赝电容材料;柔性超级电容器 中图分类号 TB383.1;TS802 文献标识码 A 文章编号 2095-9540(2019)02-122-06 Fabrication and Progress of Fully-Printed Flexible Supercapacitors WU Wei, LIANG Jing (Laboratory of Printable Functional Nanomaterials and Printed Electronics, School of Printing and Packaging, Wuhan University, Wuhan 430072, China ) Abstract Portable and wearable electronic devices are developing in the direction of miniaturization, thin, flexibility and intelligent functions. The corresponding energy power supplies also should be flexible, safe and lightweight. To satisfy these demands, the flexible supercapacitor has attracted the wide spread attention. In this paper, the recent progress of the emerging field of flexible supercapacitors, including electrode material synthesis, printing and dev ice designs. As the key component of supercapacitors was introduced, a series of new pseudocapacitor electrode materials inks were developed, including metal oxidation, conducting polymer and their composites, etc. Then, a scalable printed method was exploited to prepare solid-state supercapacitor on many flexible substrates, including paper, fabrics and plastics. The structure design of printed flexible supercapacitors to enhance the potential and energy density were discussed. These printed flexible supercapacitors can power the LED under bending or stretching states. And this highly flexible and all-printed solid-state supercapacitors may bring new design opportunities of device configuration for energy-storage devices in the future wearable electronic area. Key words Wearable device; Functional ink; Printed electronic; Pseudocapacitance material; Flexible supercapacitor 收稿日期:2019-04-02DOI:10.19370/https://www.doczj.com/doc/479042564.html,10-1304/ts.2019.02.018

碳基超级电容器一致性制备与性能研究

目录 摘要 .............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................ III 第一章绪论 .. (1) 1.1 课题研究背景、目的及意义 (1) 1.2 超级电容器原理 (2) 1.2.1 双电层电容器 (2) 1.2.2 赝电电容器 (3) 1.2.3 混合电容器 (4) 1.3 超级电容器结构 (4) 1.3.1 电极材料 (4) 1.3.1.1 碳材料 (5) 1.3.1.2 金属氧化物 (8) 1.3.1.3 导电聚合物 (8) 1.3.1.4 复合材料 (9) 1.3.2 电解液 (10) 1.3.2.1 水系电解液 (11) 1.3.2.2 有机电解液 (12) 1.3.2.3 离子液体 (15) 1.4 超级电容器应用 (15) 1.5 本论文的选题依据以及主要研究内容 (16) 第二章实验条件及主要测试方法 (19) 2.1 本文实验思路设计 (19) 2.2 主要实验药品 (20) VII

2.3 主要实验仪器 (21) 2.4 材料表征方法 (21) 2.4.1 扫描电子显微镜(SEM) (21) 2.4.2 透射电子显微镜(TEM) (21) 2.4.3 比表面积测试仪(BET) (22) 2.4.4 元素分析仪(EA) (22) 2.4.5 Fe离子分析 (22) 2.5 超级电容器测试方法 (22) 2.5.1 循环伏安测试(Cyclic Voltammetry) (22) 2.5.2 恒电流充放电测试(Galvanostatic charge–discharge) (25) 2.5.3 交流阻抗测试(Electrochemical Impedance Spectroscopy) (25) 2.5.4 能量密度和功率密度计算 (25) 2.6本章小结 (26) 第三章超级电容器一致性制备及性能研究 (27) 3.1 超级电容器制备控制点及控制方法 (27) 3.2 超级电容器极片制备 (28) 3.3 超级电容器组装 (29) 3.4 一致性实验数据分析 (30) 3.4.1 商用超级电容器交流阻抗分析 (30) 3.4.2 超级电容器循环电流分析 (30) 3.4.3 一致性实验分析 (31) 3.4.3.1 第一次实验一致性分析 (31) 3.4.3.2 第二次实验一致性分析 (32) 3.4.3.3 第三次实验一致性分析 (33) VIII

超级电容器专用系列活性炭

超级电容器专用系列活性炭 信息来源:作者:发表日期:2008-10-26 10:31:48 超级电容器是20世纪80年代开始出现的物理电源储存新技术,它与化学二次蓄电池的储能概念完全不同,超级电容器全是电能的仓库,在其充、放电过程中根本不存在化学反应,所以它在储存电能时具有充电速度快(10-15分钟),不怕过充放电,电能有效利用率最高可达95%以上,(一般现有蓄电池仅为70%左右),使用寿命长,可充放电5-10万次,是诸多不断电源和大电流、低电压电路中的不可缺少的元器件。此种电源、电池无污染,是绿色环保产品的高科技产品。 根据电容器的原理,电容量取决于电极表面积,为了得到如此大的电容量,超级电容器尽可能地缩小电极间距离、增加极表面积。为此必须采用高性能专用活性炭制作的多孔化电极。活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积,可以达到2000m2/克,与电解液接触的面积大大增加,根据电容量的计算公式,两极板的表面积越大,则电容量越大。因此,一般双电电容器容量很容易超过1F,它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3~4个数量级,目前单体超级电容器的最大电容可达5000F。因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。所以说制造超级电容器的核心材料是具有高比表面积,高性能的活性炭,活性炭的好坏是影响电容器好坏的核心材料。超级电容器专用活性炭分有机系列与无系列,活性炭的价格高底决定着超级电容器价格。该电容通过特别的电路及控制设计,可以作为大马力机械的启动和主动电源特别适合行使距离50km以内的车辆,如城市公交车、电动汽车、机场、码头旅客摆渡车、货物搬运车、码头港口的港机及其机械车辆等,成为各国大力开发的对象。目前,这种先进而环保的技术产品,实现产业化的最困难之处不在技术而在成本。级电容器的成本高低,主要取决于其核心材料电极炭的成本。在世界上,除森塬公司外仅有美国、日本和俄罗斯3个国家有产品,其价位高昂,每吨达80~160万元(人民币),而森塬公司研发生产的电极炭价格极有竞争力。用森塬公司的电极炭生产的环保电动汽车、港机混合动力电源电池、低温启动电源,用于电磁炮、导弹、潜艇、卫星等方面的不间断电源、电储电源电池等。从2006年哈尔滨巨容新能源有限公司开始使用森塬公司的电极炭产品,历经了2年的运行,各项指标和性能十稳定。目前已远销韩国、日本、美国、德国、俄罗斯等国家。 物理性质 技术指标

超级电容器电极材料综述

超级电容器电极材料 超级电容器,作为当下储能研究的一大热点,普遍具有以下优势: 1、快速的充放电特性 2、很高的功率密度 3、优良的循环特性 然而,它的不足完全制约了它的实际应用——能量密度很低。目前,商用的超级电容器可以提供10WhKg-1,而相比之下,锂离子电池的能力密度高达18010WhKg-1。因此,如何能提高超级电容器的能量密度,称为眼下超级电容器研究领域亟待解决的首要问题。学术圈致力于通过开发新的电极材料、电解质、独创的器件设计方案等方法,来实现这一问题的突破。 想要通过更好的电极材料(同时需要价格低廉,环境友好)来实现在超级电容器性能上的重大的进展,需要对电荷储存机理,离子电子的传输路径,电化学活性位点有全面、深远的认识。由此,纳米材料因为其可控的离子扩散距离、电化学活性位点数量的扩大等特点成为研究热门。 根据储能机理的不同,超级电容器可以分为:双电层电容器EDLC,赝电容。EDLC通过物理方法储存电荷——在电解质、电极材料界面上发生可逆的离子吸附。而赝电容通过化学方法储存电荷——在电极表面(几纳米深)发生氧化还原反应。通常,EDLC的电极材料为碳材料,包括活性炭,碳纳米管,石墨烯等。然而赝电容的电极材料包括:金属氧化物(RuO2, MnO2, CoOx, NiO,Fe2O3),导电高分子(PPy,

PANI,Pedot)。 设计一款高性能的超级电容的标准是: 1、很高的比容量 (单位质量的比容量,单位体积的比容量,或者是活性物质的面积) 2、很高的倍率性能 在高的扫速下200mV/s或电流密度下,容量的保持率。 3、很长的循环寿命 另外,活性材料的价格与毒性也需要计入考量。 为了制备高容量的电极材料,上述因素需要进一步讨论。 1、表面积:因为电荷是储存在电容器电极的表面,具有更高表面积的电极可以提高比容量。纳米结构的电极可以很好的提高电极的表面积。 2、电子和离子的导电性:因为比容量、倍率性能是由电子、离子的导电性共同决定,高的离子、电子电导将会很好的维持CV曲线中的矩形图线,以及GCD中充放电曲线的对称性。 同时,这也将减少充电电流增大后的比容量损失。 典型的增加电子电导的方法有: (1)Binder-free electrode design 不实用粘结剂 (2)纳米结构集流体设计——这可以为电子传输的提供高效途径 增加离子电导的方法:

超级电容器材料综述

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 1000~3000m2/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

超级电容器材料综述

超级电容器材料综述 Company Document number:WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT

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1000~3000m2/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

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