电化学双电层电容器用新型炭材料及其应用前景
碳材料在能源储存中的应用前景
碳材料在能源储存中的应用前景近年来，能源问题一直是全球关注的焦点。
随着人口的增长和经济的发展，对能源的需求也在不断增加。
然而，传统的能源资源有限，且对环境的影响较大。
因此，寻找一种清洁、高效的能源储存方式成为了当务之急。
在这个领域，碳材料展现出了巨大的应用潜力。
碳材料作为一种多孔材料，具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，因此在能源储存中具有独特的优势。
首先，碳材料可以作为电极材料应用于超级电容器中。
超级电容器是一种新型的电化学储能设备，具有高能量密度和高功率密度的特点。
而碳材料作为超级电容器的电极材料，可以提供更大的比表面积，从而增加电容器的储能能力。
此外，碳材料还具有优良的导电性和电化学稳定性，使得超级电容器具有更长的循环寿命和更高的能量转换效率。
除了超级电容器，碳材料还可以应用于锂离子电池和燃料电池等能源储存设备中。
锂离子电池是目前最为常见的可充电电池，广泛应用于电动车、移动通信设备等领域。
而碳材料作为锂离子电池的负极材料，可以提供更大的比表面积和更好的电化学性能，从而提高电池的能量密度和循环寿命。
同样，碳材料还可以作为燃料电池的催化剂载体，提高燃料电池的催化活性和稳定性，实现更高效的能量转换。
此外，碳材料还可以应用于太阳能电池和储氢材料等领域。
太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的设备，而碳材料作为太阳能电池的导电层材料，可以提供更好的电子传输和光吸收性能，提高太阳能电池的光电转换效率。
储氢材料则是一种将氢气储存起来，并在需要时释放出来的材料，而碳材料作为储氢材料的载体，可以提供更大的储氢容量和更好的氢气吸附性能，实现更高效的氢气储存和释放。
总的来说，碳材料在能源储存中具有广泛的应用前景。
其多孔结构和优良的电化学性能，使其成为超级电容器、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池和储氢材料等领域的理想选择。
随着科技的不断进步和碳材料研究的深入，相信碳材料在能源储存中的应用将会得到进一步的拓展和提升，为解决能源问题贡献更多的力量。
炭材料在电化学传感器中的应用研究
炭材料在电化学传感器中的应用研究随着电子科技的不断发展，传感技术也在不断创新。
电化学传感器作为一种重要的传感器，被广泛应用于各个领域中，如环保、医疗、军事、化工等。
而炭材料作为一种特殊的材料，也被广泛应用于电化学传感器中。
本文将对炭材料在电化学传感器中有关的应用进行分析和研究。
一、炭材料的概述炭是一种纯碳的材料，具有很高的热稳定性和化学稳定性，具有很多特殊的性质。
随着科学技术的不断发展，人们对炭材料的应用也不断拓展，如电池材料、超级电容器材料、催化剂载体材料、吸附剂材料等。
其中，炭材料在电化学传感器中的应用得到了认可和广泛使用。
二、炭材料在电化学传感器中的应用1. 碳纳米管材料的应用碳纳米管是由碳原子组成的纳米管状结构。
它具有独特的电学、化学、力学、光学性能，常用于电子器件中。
在电化学传感器中，碳纳米管被用作传感器电极材料，以检测各种气体和液体的成分。
此外，碳纳米管还可用于制备基于电化学生物传感器的修饰材料，以提高其灵敏度和选择性。
2. 碳纤维材料的应用碳纤维是一种由碳纤维组成的高强度、高刚度、轻质、耐腐蚀的材料。
在电化学传感器中，碳纤维被用来制备电极材料，以检测各种有机化合物、重金属和污染物等。
此外，碳纤维还可用于制备化学传感器中的修饰材料，以提高其检测灵敏度和响应速度。
3. 石墨烯材料的应用石墨烯是一种单层厚度的碳材料，具有高度的电导性、热导性和机械强度。
在电化学传感器中，石墨烯被用作电极材料，以检测各种气体和化合物的成分。
此外，石墨烯仍然有广泛的应用前景，如制备基于石墨烯的传感器、能量存储材料等。
三、炭材料在电化学传感器中的研究进展在炭材料的应用研究中，学者们充分考虑了炭材料的结构特性和物理特性，不断探索其在电化学传感器中的应用潜力。
1. 碳材料的修饰分析学者们通过不同的方法来修饰碳材料的表面结构和性质，以提高其传感器的灵敏度和选择性。
精心的修饰使得电极表面产生导体、阻滞及电催化作用，从而实现对有害物质的检测。
碳材料的双电层电容
碳材料的双电层电容引言：碳材料的双电层电容是一种重要的电化学现象，它在能源存储和转换等领域有着广泛的应用。
本文将介绍碳材料的双电层电容的基本原理、结构特点以及应用前景。
一、基本原理：碳材料的双电层电容是指在碳材料电极表面形成的电化学双电层现象。
当碳材料与电解质接触时，电解质中的正负离子会在碳材料表面形成一个电荷分布层，称为电荷双层。
电解质中的正离子会吸附在碳材料表面形成一个正电荷层，而负离子则会吸附在这个正电荷层上形成一个负电荷层。
这些吸附的离子形成的电荷层与碳材料自身的电荷构成了一个电容器，即双电层电容。
二、结构特点：碳材料的双电层电容具有以下几个结构特点：1. 大比表面积：碳材料具有丰富的孔隙结构和高比表面积，能够提供更多的吸附位点，从而增加电荷分布层的面积，提高双电层电容的容量。
2. 优良的导电性：碳材料具有良好的导电性，使得电荷在碳材料表面能够快速传输，提高电容器的响应速度。
3. 调控孔径结构：通过调控碳材料的孔径结构，可以调节电解质中离子的吸附和扩散行为，从而优化双电层电容的性能。
三、应用前景：碳材料的双电层电容具有广泛的应用前景，主要体现在以下几个方面：1. 超级电容器：碳材料的双电层电容具有高能量密度和高功率密度的特点，可以用于制备高性能的超级电容器，用于储能和释放能量。
2. 锂离子电池：将碳材料的双电层电容与锂离子电池相结合，可以提高电池的功率性能和循环寿命，实现快速充放电。
3. 储能技术：碳材料的双电层电容可以用于储能技术，如电动车辆的制动能量回收、太阳能和风能等可再生能源的储能等。
4. 传感器：碳材料的双电层电容对于环境中的离子和分子具有很高的敏感性，可以用于制备高灵敏度的传感器，应用于环境监测、生物传感等领域。
结论：碳材料的双电层电容是一种重要的电化学现象，具有丰富的孔隙结构、优良的导电性和调控孔径结构的特点。
它在超级电容器、锂离子电池、储能技术和传感器等领域有着广泛的应用前景。
炭材料在超级电容器中的应用研究
炭材料在超级电容器中的应用研究随着能源需求的不断增加，寻找一种足够高效和持久的能源储存方案变得愈发重要。
超级电容器因其高功率密度、长寿命、低内阻等特点一直备受关注。
然而，制造成本和能量密度限制了超级电容器的应用。
为了克服这些限制，许多研究人员开始探索使用新材料制造电极来提高超级电容器的能量密度。
其中，炭材料的应用已经成为了一种具有潜力的解决方案。
炭材料在超级电容器中的应用由来已久。
早在20世纪80年代，科学家们就开始探索炭材料在电极中的应用。
然而，此时的炭材料几乎都是天然炭，制备成本高昂，难以实现大规模应用。
随着科技的进步，特别是以石墨烯和碳纳米管为代表的二维炭材料的研究突破，炭材料在超级电容器中的应用再次受到关注。
二维炭材料在超级电容器中的应用较为广泛。
这些材料因其高比表面积，提供了更多的储能空间，因此被认为是提高电容器能量密度的潜在解决方案。
二维炭材料有许多种，如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、石墨烯氧化物等，其中最为常见和热门的是石墨烯。
石墨烯的应用范围广泛。
石墨烯的特殊结构使其具有许多优异的性质，如高导电率、高电子迁移速率、高比表面积等。
更重要的是，石墨烯的化学稳定性很高，几乎不受腐蚀。
这些性质使石墨烯成为制造电容器电极的理想材料。
然而，炭材料仍然存在着一些限制。
制造石墨烯的成本还很高，生产过程很复杂；虽然石墨烯具有高导电率，但它的比电容容量（即储能密度）相对较低，需要在其他方面进行优化。
为了最大化石墨烯的能量密度，研究人员开发出了一些新的制备方法。
研究表明，用氮、硼等元素掺杂石墨烯，可以显著提高其储能密度。
此外，将石墨烯与纳米结构材料（如无定形碳、金属氧化物等）结合来制备超级电容器电极，也能大大提高电容器的储能性能。
总之，炭材料的应用是超级电容器技术研究领域的一个热门话题。
虽然炭材料还需要进一步的研究和实验来解决已知的问题，但它具有潜力成为电容器电极中最有前途的材料之一。
随着制备技术的不断完善和新的复合材料的发现，炭材料所带来的突破性进展将为未来能源存储方案的优化和发展提供新的可能。
双电层超级电容器的工业化生产和应用前景
双电层超级电容器的工业化生产和应用前景双电层超级电容器（EDLC）是一种新型的电能存储装置，具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，被广泛应用于能源领域。
随着能源紧缺和环境问题的日益突出，EDLC作为一种高效、环保的能源存储设备，其工业化生产和应用前景备受关注。
工业化生产是推动EDLC发展的重要环节。
随着电动车、可再生能源等领域的不断发展，对电能存储设备的需求也越来越大。
EDLC作为一种高性能、低成本的电能存储设备，其工业化生产的重要性不言而喻。
目前，EDLC的生产主要依赖于微纳加工技术，采用各种材料和工艺，如活性炭、碳纳米管等作为电极材料，通过层叠组装形成电容器结构。
随着工艺和材料的不断创新，EDLC的生产成本不断降低，生产效率和品质也在不断提升。
目前，国内外一些大型企业已经开始进行规模化生产，形成了产业链的完善。
在能源领域的应用前景方面，EDLC具有巨大的潜力。
首先，EDLC可以有效整合可再生能源，解决其不稳定性和间歇性问题。
可再生能源如风能、太阳能等的输出不稳定，难以满足电网的需求。
而通过EDLC进行能量存储，可以将电能存储起来，以便在需求高峰时释放出来，提高能源利用效率。
其次，EDLC在电动车领域的应用也具有巨大的市场潜力。
传统电池在电动车应用中存在能量密度低、充电时间长等问题，而EDLC具有高能量密度和快速充放电特性，可以大大提高电动车的续航里程和充电速度，提升用户体验。
此外，EDLC还可以应用于智能电网、储能系统、电力调峰等领域，为能源产业的可持续发展提供支持。
然而，EDLC在工业化生产和应用中还面临一些挑战。
首先，EDLC的生产成本相对较高，尤其是高性能材料的制备和工艺技术的研发需要大量投入。
其次，EDLC的能量密度相对传统电池较低，仍需要进一步提高以满足不同领域的需求。
此外，EDLC的寿命问题也需要解决。
虽然EDLC的寿命相对传统电池较长，但仍需要进一步延长其使用寿命，降低更换成本。
炭材料在电化学应用中的研究进展
炭材料在电化学应用中的研究进展炭材料是一种极其重要的材料，其具有多种功能，包括高导电性、高稳定性、优异的化学惰性和低比表面积等特点。
由于其电化学性质的优异性，炭材料在电化学应用方面具有广泛的用途，例如作为电极材料、催化剂和电解质等。
近年来，随着化学、物理和材料科学的发展，炭材料在电化学应用中的研究也取得了很大的进展。
本文将重点介绍炭材料在电化学应用中的研究进展，包括其在电池和超级电容器方面的应用。
一、炭材料在电池方面的应用1. 石墨烯材料电极石墨烯是一种具有单层结构的炭材料，其高导电性和高比表面积使得其成为电池材料的研究热点之一。
石墨烯材料电极在锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池等方面的应用均已得到了广泛的研究。
例如，石墨烯材料在锂离子电池中作为电极，其容量和循环寿命均得到了显著提高。
2. 碳纳米管材料电极碳纳米管材料是一类具有蜂窝结构的炭材料，其高比表面积和优异的电导率使之成为电池电极材料的研究热点之一。
碳纳米管材料在电极方面的应用主要涵盖锂离子电池、超级电容器和锂空气电池等方面。
例如，碳纳米管材料在超级电容器方面的应用具有高能量密度、高功率密度和快速充放电等特点。
3. 钛氧化物/炭复合材料电极钛氧化物/炭复合材料电极是一种新型的复合电极材料，其具有高比表面积、高电导率和优异的化学稳定性等优异性质。
钛氧化物/炭复合材料电极在锂离子电池和钠离子电池等方面的应用均已得到了广泛的研究。
例如，钛氧化物/炭复合材料电极在锂离子电池方面具有较高的容量和循环寿命。
二、炭材料在超级电容器方面的应用超级电容器是一种新型的电化学能量存储设备，其高功率密度和短充放电时间使之成为电源适应性较强的能量存储装置。
炭材料在超级电容器方面的应用主要涵盖活性炭、石墨烯和碳纳米管等材料。
1. 活性炭材料活性炭是最早被应用于超级电容器的炭材料之一，其具有优异的能量密度和高功率密度等优异性质。
活性炭材料在超级电容器方面的应用主要涵盖低温焚烧法活性炭和葡萄糖制备的活性炭等。
新型碳材料在电子行业中的应用
新型碳材料在电子行业中的应用随着科技的不断发展，新型材料已经成为推动科技进步和经济发展的重要引擎。
在电子行业中，碳材料是一种备受关注的新型材料。
碳材料的优异性能，使其在电子行业中有着广泛的应用前景。
本文将详细介绍新型碳材料在电子行业中的应用。
一、碳材料的分类目前，碳材料主要包括三类：石墨烯、碳纳米管和碳纤维。
1. 石墨烯石墨烯是由碳原子构成的单层平面晶体结构，具有高度的机械强度、导电性和导热性。
石墨烯的一个重要特点是具有“二维”结构，厚度只有一个原子层，因此也有“人造金属”之称。
石墨烯具有广泛的应用前景，例如半导体、生物医学、太阳能电池、柔性电子等领域。
2. 碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的管状结构，具有高度的强度和导电性。
碳纳米管目前已应用于电子器件、化学传感器、生物医学等领域。
3. 碳纤维碳纤维是高性能纤维材料，由碳元素制成。
碳纤维具有高度的机械强度和耐腐蚀性，在航空航天、汽车及其他领域得到了广泛的应用。
二、碳材料在电子行业中的应用1. 电池当前，石墨烯已经被广泛应用于电池领域，特别是锂离子电池。
石墨烯在锂离子电池中作为导电剂和电极材料，具有更高的能量密度和充电速度，同时还可以提高电池的循环寿命。
碳纳米管也被广泛应用于电池领域，例如超级电容器、燃料电池等。
2. 传感器碳材料在传感器领域中具有广泛应用。
石墨烯的高度导电性和高度的机械强度，使其在压力传感器、声波传感器、湿度传感器等领域具有应用前景。
碳纳米管在化学传感器领域中也得到了广泛的应用。
3. 纳米电子器件石墨烯具有非常好的物理和电学性质，成为新一代电子器件的最有前途的候选材料之一。
例如：晶体管、集成电路、柔性电子等。
碳纤维也在微型绝缘支架、通讯用基板等领域有着广泛的应用。
4. 光电器件石墨烯和碳纳米管在光电器件中应用也得到了广泛关注。
石墨烯具有极高的光学透过率，可用于制作太阳能电池、光学器件和传感器等。
碳纳米管也在光电器件领域中有广泛的应用。
碳基材料在电容器领域的应用
碳基材料在电容器领域的应用近年来，碳基材料在电容器领域引起了人们的广泛关注。
碳基材料作为一种新型材料，具有良好的导电性、导热性和稳定性等特点，在电容器应用领域有着广泛的应用前景。
本文将对碳基材料在电容器领域的应用进行深入探讨。
一、碳基材料的种类碳基材料是一类以碳为主要成分的材料。
根据其结构和制备方法的不同，碳基材料可以分为多种类型，如石墨烯、碳纳米管、炭黑等。
这些材料在电容器领域的应用也各有优劣。
1. 石墨烯石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维晶体材料，具有超高的电导率和导热率，以及高的比表面积和强的机械性能。
这些特性使其成为超级电容器中的理想电极材料。
由于石墨烯的制备工艺比较复杂，其大规模应用仍面临许多技术瓶颈。
但是，石墨烯在电容器领域的潜力已经被广泛认可，未来有望保持高速发展。
2. 碳纳米管碳纳米管是一种由碳原子组成的形态呈现为纳米尺寸管状结构的新型材料，具有优异的电性能、机械性能和化学稳定性，能够广泛用于电容器领域。
碳纳米管电容器具有高比能量和高功率密度，还能承受较高的电流密度和频率，适用于电能储存和供应等领域。
3. 炭黑炭黑是一种无定型碳黑色材料，具有高比表面积、良好的电化学性能和理想的导电性能。
炭黑被广泛应用于可重构电容器和超级电容器等领域，已经成为电容器中广泛使用的电极材料之一。
二、碳基材料在电容器中的应用碳基材料具有良好的导电性、导热性和稳定性等特点，在电容器应用领域有着广泛的应用前景。
1. 超级电容器超级电容器是一种高性能的电容器，它利用电极材料的高比表面积和离子可逆嵌入/脱嵌的能力，实现了高能量密度和高功率密度的电位变换。
碳基材料是超级电容器中常用的电极材料。
石墨烯、碳纳米管和炭黑等碳基材料作为高性能电极材料在超级电容器领域有着广泛的应用。
这些材料的高比表面积和理想的电导率使得电容器具有超高的能量存储密度和能量输出密度。
2. 可重构电容器可重构电容器是利用材料电学参数的可逆性，在电场作用下产生电荷存储和释放的电容器。
电化学电容原理及其应用前景
电化学电容原理及其应用前景随着人们对能源的需求日益增长，寻找替代能源成为全世界的共同需求。
电化学储能作为一种可再生、低污染、高效率的储能方式，因其具有良好的安全性、稳定性和可重复使用性而备受关注。
而作为电化学储能的核心技术之一，电化学电容技术不断发展壮大，其应用前景也日益广阔。
一、电化学电容原理电容器是一种用来储存电荷和电场能量的被动电子元件，电化学电容器（也叫超级电容器）则是利用电解液中的离子吸附在电极表面，达到存储电荷和储能的目的。
电化学电容器电化学电容原理的基础是双电层电容效应，即将金属电极放置在某种电解液中，由于电极上方有一层离子云，电极下方有一层几乎没有离子的区域，两者之间形成双层电容。
当电极接通电源时，离子向电极内部迅速移动，被储存下来，并产生电能的积累，从而储存了电能。
二、电化学电容的应用前景1. 储能电化学电容具有高能量密度和高功率密度的特点，可以快速放电和充电，达到快速储存和释放电能的目的。
由于其短时间内即可完成放电或充电，因此在储能中具有非常广泛的应用前景。
尤其是随着新能源市场不断拓展，太阳能、风能等现代能源技术对储能的需求增加，电化学电容储能技术得到了广泛的应用。
2. 电动汽车电化学电容可以在短时间内完成充电，在运输中对能量密集和对能量的快速释放具有优势。
在电动汽车领域，电化学电容可以缩短电动汽车的充电时间，提高汽车的续航里程和加速性能，从而提高了电动汽车的竞争力，并推动了电动汽车的技术不断升级。
3. 家用电器电化学电容除了应用于能源储存领域外，在家用电器领域也有非常广泛的应用前景。
电化学电容可以作为一种滤波器，用来改善家电设备的电源波动等干扰现象，使其性能更加稳定。
同时，在一些瞬间启动电压较高的家电设备，电化学电容也可以提供快速的电流响应，保护设备不受过流和过载等问题的影响，提高其整体性能和使用寿命。
4. 其他领域除了以上三大领域外，电化学电容还可以应用于其他领域，例如：无限速列车、物联网设备、污水处理、星座卫星、电子产品等。
电催化双层电容
电催化双层电容电催化双层电容是一种新型的电化学储能器件，具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优势。
本文将从电催化双层电容的原理、结构和应用等方面进行介绍。
一、原理电催化双层电容是利用电化学原理将电能转化为化学能并储存起来的装置。
其基本原理是通过在电极表面形成电化学双层，将电荷分离并存储在电极中。
电催化双层电容的电极材料通常使用具有大比表面积和良好导电性能的材料，如活性炭、氧化铟锡等。
当外加电压作用于电容器时，正负电荷在电极表面分别积聚，形成电荷分离，从而形成电化学双层。
当外电压撤离时，储存在双层中的电荷会自发回到电源中，完成能量的释放。
二、结构电催化双层电容主要由正负极电极、电解质和隔膜等组成。
正负极电极是电催化双层电容的主要部分，负责吸附和储存电荷。
电解质是介于正负极电极之间的物质，起到传递离子的作用。
隔膜则用于隔离正负极电极，防止直接接触而引起短路。
电解质和隔膜的选择对电催化双层电容的性能有着重要影响。
三、应用电催化双层电容由于其高能量密度和高功率密度的特点，被广泛应用于能量存储和能量转换领域。
在新能源领域，电催化双层电容可以用于储能系统，将电能储存起来，以应对能源供需的不平衡问题。
在电动汽车领域，电催化双层电容可以作为动力储备装置，提供高功率输出，满足汽车加速和制动的需求。
此外，电催化双层电容还可以应用于电网峰谷填平、新能源发电系统的储能等领域。
四、发展趋势电催化双层电容作为一种新兴的储能装置，其发展前景广阔。
目前，研究人员正致力于开发新型电极材料和改进电解质体系，以提高电催化双层电容的性能。
同时，随着电动汽车和可再生能源的快速发展，电催化双层电容在能源存储领域的需求也将越来越大。
因此，电催化双层电容在未来的研究和应用中仍有巨大的发展空间。
电催化双层电容作为一种新型的电化学储能器件，具有很大的应用潜力。
通过深入研究其原理、结构和应用，我们可以更好地理解和应用电催化双层电容，为能源存储和能量转换领域的发展做出贡献。
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收稿:2007年11月,收修改稿:2007年12月 3国家自然科学基金项目(N o.20633040)和国家“863”计划项目(N o.2006AA03Z 342,2006AA11A163)资助33通讯联系人 e 2mail :caogaoping @电化学双电层电容器用新型炭材料及其应用前景3张 浩 曹高萍33 杨裕生 徐 斌 张文峰(防化研究院 北京100083)摘 要 活性炭是目前使用最为广泛的一种电化学双电层电容器(E D LC )的电极材料,但其固有的缺点制约了E D LC 性能的进一步提高。
用新型高性能炭电极材料可使E D LC 比能量和比功率性能进一步提高。
这些新型炭材料包括基于石墨层状结构的纳米门炭,基于碳纳米管阵列结构的毛皮炭,通过高温置换反应制备的骨架炭以及电极可整体成型的纳米孔玻态炭。
本文介绍了这些炭材料的电化学特性及其在电化学双电层电容器中的应用,指出用这4种新型炭材料制备E D LC 的比能量或比功率性能远高于目前活性炭基E D LC ,具有良好的应用前景。
关键词 电化学双电层电容器 电极材料 纳米门炭 毛皮炭 骨架炭 碳化物衍生炭 纳米孔玻态炭 电化学性能中图分类号:O646154;T M919 文献标识码:A 文章编号:10052281X (2008)1021495206N ovel C arbon Materials for E lectrochemical Double LayerC apacitors and Their ApplicationsZhang Hao Cao Gaoping33 Yang Yusheng Xu Bin Zhang Wenfeng(Research Institute of Chemical Defense ,Beijing 100083,China )Abstract E lectrochemical double layer capacitors (E D LC )have been expected as a secondary electric power supplier for the autom obiles with hybrid engine or fuel cell m otors because of their rapid charging Πdischarging.Activated carbons are the electrode materials used m ost frequently for electrode of E D LC.But activated carbon presents several intrinsic disadvantages that result in limited energy and power density as well as rated v oltage.Researchers have dem onstrated that im proved performance of E D LC can be achieved based on other novel carbon materials.These alternatives include graphite based nanogate carbon ,carbon nanotube array based carbon nanotube fur ,skeleton carbon and nanoporous glassy carbon.Their characteristics ,electrochemical properties and applications in E D LC are introduced in this paper.E D LCs assembled with these four novel carbon materials obtain higher specific power or specific energy than activated carbons based E D LCs ,and have nice application prospects.K ey w ords electrochemical double layer capacitors ;electrode materials ;nanogate carbon ;carbon nanotube fur ;skeleton carbon ;carbide 2derived carbon ;nanoporous glassy carbon ;electrochemical properties1 引言电化学电容器(electrochemical capacitor )又被称为“超级电容器”(supercapacitor )[1],它具有大电容量,可大电流快速充放电和高循环使用寿命等优点。
随着电化学电容器在移动通讯、交通工具和国防工业等领域的广泛应用[2],它越来越受到人们的关注,各国纷纷制定出电化学电容器的发展计划并将其列为国家重点战略研究对象。
电化学电容器根据储能原理可分为3大类:(1)第20卷第10期2008年10月化 学 进 展PROG RESS I N CHE MISTRYV ol.20N o.10 Oct.,2008双电层电容器(E D LC),电极材料为活性炭等高比表面材料;(2)氧化还原准电容器,电极材料为过渡金属及其化合物(如氧化物、氮化物)或掺杂的导电聚合物等;(3)电化学混合电容器,其一个电极为双电层储能,另一个电极为准电容机制。
三者中,E D LC 的比功率最高,在许多需要高比功率、高循环效率和长寿命电源的领域中得到了较广泛的应用[2]。
2 活性炭基电化学双电层电容器的应用和局限 炭基E D LC主要靠双电层机理来储存能量:炭材料带正电时,电解液中的阴离子在静电力作用下聚集在表面,形成电化学双电层;反之炭材料带负电时,由电解液中的阳离子参与形成双电层。
炭材料表面的官能团会带来一定的准电容,这对材料的比容量也有一定的贡献[1]。
活性炭、炭黑、玻态炭、炭纤维、炭布、良好的电化学性能并在E D LC上得到应用[1,3]。
活性炭是使用最广泛的一种E D LC电极材料,它成本低、比表面高、制备工艺成熟。
商品化活性炭基E D LC的性能可达4155WhΠkg和7199kWΠkg[4]。
但活性炭固有的缺点制约了活性炭基E D LC性能的进一步提高。
活性炭微观结构呈不规则的多孔状,内部会形成岛状的电荷区域[5],使贮存的电荷难以完全放出,造成电容器比能量降低。
另外,活性炭表面残存的一些活性基团和悬挂键使其同电解液之间的反应活性增加,造成E D LC额定电压较低(有机体系的活性炭基的E D LC额定电压一般为213V[1])。
而E D LC额定电压的提高,一方面可以提高比能量,另一方面可以增强实用性,如需较少的E D LC单体串联便可得到较高电压的E D LC模块。
再者,活性炭的晶化程度只有约5%—10%,电导率较低,而且电子和离子导电的通路都是曲折、不规则的,导致E D LC的等效串联电阻(ESR)较高,使E D LC比功率较低且进行高倍率放电时产生较大的电压降,进而造成材料比容量较大的降低。
可见,提高E D LC的性能,关键是研制出具有高比容量、高电导率和稳定性好的新型电极材料。
3 电化学双电层电容器用新型炭材料近些年来,国内外研究者已经研制出一些新型炭材料代替活性炭,可使E D LC电极性能提高,包括:基于石墨层状结构的纳米门炭,基于碳纳米管阵列结构的毛皮炭,通过高温置换反应制备的骨架炭以及电极可整体成型的纳米孔玻态炭。
3.1 基于石墨层状结构的“纳米门炭”2003年日本科学家Okamura等[6]报道了他们研制的纳米门炭(nanogate carbon)。
用其制备的“纳米门”电容器(nanogate capacitor)比能量可达27WhΠkg,是目前报道的比能量最高的超级电容器,其比功率可达015—7kWΠkg。
纳米门电容器的储能机理是双电层机理[6],其获得高性能的关键是用结构独特的纳米门炭制备电极片。
纳米门炭本身比表面积较小(100m2Πg左右),密度较大,内部主要为中孔和大孔,最显著的特点是具有生长比较完整的类石墨微晶。
电容器中的纳米门炭在高电压(4.2V)充电过程中电解液离子和溶剂分子共同嵌入纳米门炭的石墨层间,增大了石墨层间距,进而增大了可建立双电层的表面积。
所以纳米门炭不仅在孔表面形成双电层,而且在扩大了层间距的石墨层中也形成大面积的双电层,从而提高了比电容[7]。
纳米门炭表面官能团和悬键较少,使纳米门电容器额定电压较高。
佛罗里达A&M大学的Zheng[8]应用相关理论对纳米门电容器的比能量进行计算,计算中用到的原始参数均是从Okamura所在公司的官方网站上摘录。
通过理论计算,Zheng发现纳米门电容器的比能量依赖于额定电压和电解液离子的浓度,而同电极材料的比容量关系不紧密。
若纳米门电容器用1m olΠL的有机电解液,额定电压为3.5V,则以整体器件的质量计算纳米门电容器的比能量为7—15WhΠkg,明显低于Okamura教授公布的数值。
Okamura教授在第15届电化学电容器研讨会上介绍了纳米门电容器最新进展:他们已拥有量产“L4”型纳米门电容器(比能量615WhΠkg、比功率5.9kWΠkg)的能力[9],并准备向特定用户供货。
他们制备出了比能量15WhΠkg、比功率14kWΠkg的纳米门电容器样品。
现Okamura教授已经拥有一家由日本能源系统公司等公司的风险基金资助的公司(P ower Systems C orp.,Ltd),并建立了一个具有10万只电容器日产量的工厂。
Okamura教授回应了Zheng教授对纳米门电容器比能量的数值提出的质疑:他们已经研制出了电解质浓度超过1m olΠL的新型有机电解液,制备出了能正常工作的,比能量高达30WhΠkg的纳米门电容器样品。
他在文章中多次提到纳米门电容器具有良好的循环性能,但从未提供详细的数值。
在最新报道中,他首次公开承认少数纳米门电容器在工作过程中有容量“突然明显降低”・6941・化 学 进 展第20卷(snap back)的现象。
总之,纳米门电容器的比能量远超过目前活性炭基E D LC,具有良好的应用前景,如何在进一步提高比能量的基础上提高比功率和循环寿命还有待进一步研究。
此外,电活化前、后的材料在结构和性能上均有很大的差别,将它们笼统地都叫做纳米门炭似不合适,何况原料类石墨微晶的层间距并不在纳米范围内,故在我实验室将电活化前、后的这种材料分别称为微晶炭和扩层炭。