超级电容器用活性炭电极材料的研究进展
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)℃。
超级电容器材料的研究及应用
超级电容器材料的研究及应用超级电容器是一种利用电场存储电能的能量存储器，其在电化学和电磁学理论上都有一定的发展。
超级电容器具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，在现代航空、汽车、宇航和智能电网等领域有着广泛的应用。
而超级电容器的核心是电极材料，所以先进的电极材料能够带来超级电容器工作性能更好的表现。
一、超级电容器电极材料的研究现状目前，超级电容器电极材料的研究集中在以下领域：（1）金属氧化物材料的研究。
金属氧化物，如钼酸锂、钴酸镍等，具有优异的电极电化学性能，同时元素资源广泛，价格低廉，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究与应用。
（2）碳材料的研究。
碳材料是制备超级电容器电极材料的主要原材料之一，具有良好的导电性和热稳定性。
而以活性炭为代表的多孔碳材料还具有大表面积、高比电容等优良性质，因此在超级电容器电极材料以及电池、传感器等领域应用广泛。
（3）二维材料的研究。
二维材料，如石墨烯和硼氮化物，具有高比表面积、方便处理的优势，已被广泛研究作为超级电容器电极材料。
尤其石墨烯由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性等特性，在超级电容器电极材料研究中被广泛关注。
（4）金属有机骨架材料的研究。
金属有机骨架材料，即MOFs，是由金属离子和有机配体组成的晶态材料，具有极大的内孔体积以及可调控的孔径和结构。
这种新型材料具有极高的表面积和储能密度，是超级电容器电极材料研究的热点之一。
二、超级电容器电极材料的制备方法超级电容器电极材料的制备方法主要分为化学还原法、水热法、煅烧法、氧化还原电位法等。
其中化学法是制备超级电容器电极材料的常规方法，其通过调节反应条件，可控制电化学行为，实现材料的优异电化学性能；而水热合成是在相对低的温度和压力下，通过压剂或表面修饰剂，实现材料形貌和结构的微观调控；氧化还原电位法是通过扫描电位电化学法控制电位，调控材料的化学反应，从而实现精准控制。
三、超级电容器材料的应用超级电容器在现代工业、航空、军事、医学等领域得到了广泛的应用。
超级电容器活性炭电极材料研究取得新进展
碳素石 墨材料 ， 它将强度 、 灵活性
和轻质性完美融合 ， 具有优异导 电 导 热 性、 抗高 温 陛、 抗腐蚀性 、 机械 强度高等
特点 ， 被视为 当代新材料 的先导 。 凭借
石墨 与碳素起 家 ， 西格 里在欧 洲、 北美
和亚洲地 区构建 了近 ４ ８ 个生产基地 ， 形
与 阳离子 共轭 聚合 物 的荧光 共振 能量 转移 ， 该 技术有 望用 于结 肠癌 的筛 查和 鉴 别 诊断 。
于 阳离子 共轭 聚合 物 的新型 荧光 共振 能量转 移 技术 ， 分析 了结 肠癌 七种 相关 基 因的ＤＮＡ甲基化水 平。 通过逐步 判别分析和 累积检 测分析 ， 获得 了较高精确度 和 灵 敏 度 的结肠癌 检 测结 果与 鉴别诊 断 结果 。 结合 启 动子 甲基化 变化 的累 积分 析
秉 承“ 碳 素让 城 市 生 活更 美 好 ” 的 理 念， 西格 里集 团进 一 步展示 了其碳 材 料 知识 以及 这种高性 机 固体重点 实验室 的科研 人员在 共轭 聚合物设 计与生 物医药应 用领域 取得
系列 新进展 。
癌症 相 关基 因启 动子 上 甲基 化的变 化是癌 症早期诊 断 的一 种有 潜力 的生物 标记 。 相 比于单 甲基化变 化 ， 积累分 析多个 启动 子 甲基 化水平有 望提 高癌症检 测 的精确 度和 灵敏度 。 他 们与解放 军总 医院第 一附属 医 院的相 关人 员合作 ， 利用 基
超级 电容器 作为 ２ １ 世纪新 型能源 器件越来 越受到 人们 的重 视 。 目前 ， 商业化
化 的转染 剂脂质体 ２ ０ ｏ ０ （ １ ｉ ｐ ｏ ２ ｏ ０ ０ ） 和
聚 乙烯 亚 胺 （ Ｐ ＥＩ ） 相当， 可 用于 基 因 转染 的实 时跟踪与定 位。 最近， 研 究人 员在 美 国化 学会 期 刊 化 学 评论 发表 了综 述 文章 ， 重 点 介 绍 了近 ５ 年来 共轭 聚合 物在 荧光成 像， 疾病诊 断和治疗 领域的重要 进展 ， 并对 该领域 的未 来发展方 向以及存在 的挑 战与机遇进 行了展望 。 （ 中国科学
柔性超级电容器电极材料的设计、制备及性能研究
柔性超级电容器电极材料的设计、制备及性能研究一、本文概述随着能源需求的日益增长和环境保护的迫切需求，高效、环保的能源存储技术已成为全球科研和产业界的研究热点。
其中，超级电容器作为一种能够快速存储和释放大量电能的电子器件，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点，被广泛应用于电动汽车、移动通信、航空航天等领域。
然而，传统的超级电容器电极材料往往存在柔韧性差、比容量低等问题，限制了其在可穿戴设备、柔性电子等领域的应用。
因此，研究和开发新型柔性超级电容器电极材料，对于推动超级电容器技术的进一步发展和拓宽其应用领域具有重要意义。
本文旨在探讨柔性超级电容器电极材料的设计、制备及性能研究。
我们将介绍柔性超级电容器的基本原理、分类及应用领域，阐述柔性电极材料的重要性。
我们将综述目前柔性超级电容器电极材料的研究进展，包括常见的电极材料类型、制备方法及其优缺点。
在此基础上，我们将提出一种新型的柔性超级电容器电极材料的设计思路，并详细介绍其制备过程、结构表征及电化学性能测试方法。
我们将对所制备的柔性电极材料进行系统的性能评估，包括其比容量、循环稳定性、倍率性能等，并探讨其在实际应用中的潜力。
通过本文的研究，我们期望能够为柔性超级电容器电极材料的设计和制备提供新的思路和方法，推动超级电容器技术的创新和发展，为未来的能源存储和转换领域做出贡献。
二、超级电容器基础知识超级电容器（Supercapacitor），也称为电化学电容器（Electrochemical Capacitor），是一种具有高能量密度和高功率密度的电子器件。
与传统的电容器和电池相比，超级电容器在储能和放电速度上都具有显著的优势。
其基础知识主要涉及电极材料、电解质、工作原理以及性能参数等方面。
电极材料：超级电容器的电极材料是其核心组成部分，直接影响其电化学性能。
常见的电极材料包括碳材料（如活性炭、碳纳米管、石墨烯等）、导电聚合物（如聚吡咯、聚苯胺等）以及金属氧化物（如氧化钌、氧化锰等）。
超级电容器电极材料研究进展
超级电容器电极材料研究进展一、本文概述随着能源危机和环境污染问题日益严重，高效、环保的能源存储和转换技术成为了全球科研工作的热点。
超级电容器，作为一种新型的储能器件，因其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命等优点，在电动汽车、电子设备、可再生能源系统等领域具有广阔的应用前景。
电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接影响着超级电容器的整体性能。
因此，研究和开发高性能的超级电容器电极材料成为了当前的研究重点。
本文旨在全面综述超级电容器电极材料的研究进展，包括各类电极材料的性能特点、合成方法、改性策略及其在超级电容器中的应用。
文章首先介绍了超级电容器的基本原理和分类，然后重点分析了碳材料、金属氧化物、导电聚合物等常见电极材料的性能优势和存在的问题。
接着，文章综述了近年来通过纳米结构设计、复合改性、表面修饰等手段提高电极材料性能的研究进展。
文章展望了超级电容器电极材料未来的发展方向和潜在应用领域。
通过本文的阐述，期望能够为超级电容器电极材料的研究和应用提供有益的参考和启示。
二、超级电容器电极材料分类超级电容器的性能与电极材料的特性密切相关，因此，对电极材料的研究一直是超级电容器领域的热点。
根据材料种类的不同，超级电容器的电极材料主要分为碳材料、金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物以及复合材料等几大类。
碳材料：碳材料是超级电容器中应用最广泛的一类电极材料，包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这类材料具有比表面积大、导电性好、化学稳定性高等优点，适合用作双电层电容器的电极材料。
然而，碳材料的储能机制主要是物理吸附，因此其能量密度相对较低。
金属氧化物/氢氧化物：金属氧化物/氢氧化物如RuO₂、MnO₂、NiOOH 等，具有较高的赝电容特性，能够实现快速的氧化还原反应，从而提供更高的能量密度。
然而，这类材料的导电性较差，且在充放电过程中体积变化较大，容易导致电极结构破坏，影响循环稳定性。
导电聚合物：导电聚合物如聚吡咯、聚噻吩等，具有良好的导电性和赝电容特性，是超级电容器电极材料的另一类重要选择。
超级电容器的活性炭电极制备工艺研究
超级电容器的活性炭电极制备工艺研究随着电子技术的发展，电子设备的运行速度和处理能力不断提高。
同时，能源问题也成为了全球关注的焦点。
为了满足设备运行的电源需求，越来越多的研究人员开始关注新型电容器的研发。
超级电容器作为一种新型电容器，具有高功率密度、长寿命、快速充放电、环境友好等优点，因此备受研究者的关注。
超级电容器的核心部件是电极材料。
活性炭作为超级电容器电极材料的首选，因其表面积大、孔径分布广、导电性好等优点而备受青睐。
本文将探讨超级电容器的活性炭电极制备工艺研究。
一、活性炭电极的制备1.材料选择活性炭的选择要考虑两个因素。
首先，活性炭的表面积越大，其在电容器中的表现越好。
其次，选用适当的助剂，如氧化锆等，可以增加活性炭的导电性。
因此，在选择活性炭时需要综合考虑这两个因素。
2.炭化处理在活性炭制备的过程中，炭化处理是必须的。
炭化能够提高活性炭的比表面积、孔径分布和电导率等性能。
通常采用高温热解、氧化、碳化等方法对原料进行处理。
3.活化处理活化处理是活性炭电极制备不可或缺的一步，它能进一步增大活性炭的比表面积和孔径分布，使其电化学表现更优越。
活化处理分为物理活化和化学活化两种方法，物理活化主要是利用气体分子的物理吸附、凝聚和作用，而化学活化是利用碱性、酸性物质对活性炭表面进行化学反应，引入新的官能团。
二、影响活性炭电极表现的因素1.比表面积活性炭的比表面积越大，其在电容器中的表现越好。
为了增大活性炭的比表面积，我们可以采用物理活化、化学活化或多孔碳化处理等方法。
2.孔径分布孔径分布是另一个重要因素。
孔径分布对活性炭电极的电化学表现有很大的影响。
大孔径的材料能够存储更多的离子，而小孔径有助于离子的迁移和扩散。
因此，我们需要在活化处理中控制孔径分布。
3.导电性活性炭本身的导电性较差，因此需要使用助剂来提高其导电性。
常用的助剂是氧化锆、金属氧化物、单壁碳纳米管等。
助剂的添加量需要在保证良好的导电性的同时不减少活性炭的比表面积和孔径分布。
超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究
超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究1. 本文概述随着现代科技的发展，能源存储技术正面临着前所未有的挑战和机遇。
超级电容器作为一种重要的能源存储设备，因其高功率密度、快速充放电能力、长寿命周期和环境友好性而受到广泛关注。
在超级电容器的构造中，复合电极材料的研发尤为关键，其直接决定了超级电容器的电化学性能和整体效能。
本文旨在探讨超级电容器复合电极材料的制备方法及其电化学性能。
本文将对目前广泛研究的几种复合电极材料，如碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，进行系统的综述。
这些材料在超级电容器中的应用优势和面临的挑战将被详细讨论。
接着，本文将重点介绍几种创新的复合电极材料制备技术，包括化学气相沉积、水热合成、溶胶凝胶法等。
这些方法在制备过程中对材料结构和形貌的控制，以及对电化学性能的影响将被深入分析。
本文将通过实验数据，评估所制备的复合电极材料在超级电容器中的实际应用性能，包括比电容、能量密度、循环稳定性等关键指标。
通过这些研究，本文旨在为超级电容器复合电极材料的发展提供新的视角和技术路径，推动能源存储技术的进步。
2. 文献综述超级电容器，也称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的能量存储设备。
它们的主要特点是具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电能力。
超级电容器的储能机制主要是双电层电容，涉及电极材料与电解质之间的电荷分离。
这一领域的研究起始于20世纪50年代，随着材料科学和电化学技术的进步，超级电容器在能量存储领域的重要性日益凸显。
超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料的性质。
近年来，研究者们广泛关注复合电极材料，因其能够结合不同材料的优点，从而提高超级电容器的整体性能。
常见的复合电极材料包括碳基材料、金属氧化物、导电聚合物等。
这些材料通过不同的复合策略（如物理混合、化学接枝、层层自组装等）进行组合，旨在提高比电容、能量密度和循环稳定性。
电化学性能是评估超级电容器电极材料的关键指标。
超级电容器碳材料的研究现状与发展
１超 级 电容 器 的原理
按储 能机理 ，超级 电容器一般分为双 电层电 容器和法拉第准 电容器 。双 电层 电容器建立在双
电层 理论 基 础 之上 ，其 电极 材料 为 比表 面积 很 大
无 论 基 于 何种 原理 ，超 级 电容 器 都 可 以分 为 四大 部 分 ： 电极 、 电解 质 、集 流 体 和 隔离 物 ，如
电容 器用 新 型 碳 材 料 的开 发 研 究进 行 有 关 阐 述 。
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 ， 因此 可 以获 得 比双 电层
电容器 更高 的 电容 量和 能量 密 度 。最 近 得 到大 力
发展 的 是兼 具 二 者优 势 的混 合超 级 电容器 。 目前 ， 又 发展 了 新 的 不对 称 超 级 电容 器 【，这 种 超 级 电 ２ Ｊ 容器 的 二个 电极材 料 不 一 样 ， 可 以更 好 地提 高 超
的活 性 炭 。 拉第 准 电容 器 根据 电极 材 料 的不 同， 法
可 分 为 金 属氧 化 物 和 导 电聚 合 物 两类 ，该 类 电容 器 主 要 利用 在 活 性 物 质表 面 及 体 相 界面 上 发 生 的 高 度 可 逆 的快 速 氧 化 还 原反 应 来 储存 能量 。双 电
ａｒ ｓ ｄｎ ｗ， ａ ｅｃ ｍｐａｒｄ． ｅｕ ｅ ｏ ｒ ｏ ｅ
Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｐ ｒ ａ ａ ｉ ｒ ｅｅ ｔ ｄ ｔ ｒａ ｙ ｗｏ ｄ ： ｕ ｅ ｃ ｐ ｃ ｔ ； ｌｃ ｒ ｅ ｍ ｅ ｉ ｌ ｏ ｏ ａ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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:AResearch Progress of Activated Carbon Electrode Material for SupercapacitorXING 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 @ 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@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期图1双电层电容器的原理图Fig.1Pr incip le of electric d ou ble layer capacitor实际上活性炭电极超级电容器的电容同时包含双电层电容和氧化还原反应所引起的法拉第赝电容,但以双电层电容为主,普通活性炭表面存在的官能团只能产生少量的法拉第赝电容。
2活性炭物化性质对超级电容器性能的影响活性炭是超级电容器电极的首选材料,其比表面积、孔径分布及表面官能团等都是直接影响超级电容器电化学性能的重要参数。
2.1比表面积从理论上讲,活性炭电极材料的比表面积越大,超级电容器的比电容越大,但实际情况却复杂得多。
通常,比电容与比表面积并不呈线性关系。
L ozano-Castello等[6]以煤为前驱体,采用化学活化法制备出一系列活性炭电极材料,结果表明,比电容随比表面积的增大而增加,但二者并不存在简单的正比关系。
Kobe等[7]以石油沥青为原料制备出高比表面积(2500~3000m2/g)活性炭,但以其作电极材料的超级电容器的性能并不理想,在充分考虑孔径分布、表观密度等因素后认为,优化制备工艺才能提高超级电容器的综合性能。
T.C.Weng等[8]以中间相沥青为原料,KOH为活化剂,制得比表面积达2860m2/g的活性炭,但其因比表面积主要由孔径小于2nm的微孔贡献,在1m ol/L H2SO4溶液中比电容仅有130F/g。
H.T eng等[9]以酚醛树脂为原料,KOH为活化剂,700e活化2h制得比表面积为1900m2/g的活性炭,在1mol/L H2SO4溶液中其比电容仅有100F/g。
张翠等[10]以酚醛树脂在800e下的炭化料为前驱体,NaOH为活化剂,采用相同的活化条件制得比表面积为1750m2/g的活性炭,在6m ol/L KOH电解液中的比电容达266F/g。
张传祥[11]以神华烟煤为前驱体,KOH为活化剂,在碱炭比为4B 1(质量比)的条件下采用常规加热方式制得比表面积高达3134m2/g的活性炭电极材料,在3mol/L KOH电解液中的比电容为281F/g。
采用快速加热工艺所制得活性炭的比表面积虽然只有1950m2/g,但比电容高达370F/g。
综合分析活性炭原料及制备工艺可知,导致活性炭电极超级电容器性能产生差异的主要原因在于:(1)采用不同的前驱体,经不同的活化工艺制得的活性炭材料,即使比表面积相近,但在电解液中形成双电层电容的有效比表面积也可能存在较大差异,从而影响电极材料的单元静电容量;(2)各种电解质离子的直径不同,对活性炭电极中可利用的最小微孔的孔径要求也不同,从而使可利用的有效表面积不同,影响其电化学性能。
因此,改进超级电容器电极材料的性能,不能单纯提高活性炭的比表面积,应综合考虑其物化性质,提高电极材料的有效比表面积。
2.2孔径分布在超级电容器中,电解质要被吸附到电极材料的孔隙中,不同的电解质所要求的电极材料的孔隙是不一样的。
许多学者曾深入研究了多孔炭材料吸附水溶液的情况,一致认为,由于N2分子的尺寸与水溶液中OH-或K+的大小相近,因此在77K可以吸附N2分子的孔隙,也可以吸附简单的水合离子,即原则上孔径大于0.5nm的孔隙对于形成双电层是有利的[7]。
H ang Shi[12]认为微孔表面积(S mi)和中孔表面积(S e xt)对双电层电容都有贡献,只是微孔和中孔单位面积上的双电层电容不同,并提出了一个简化的数学模型:C=C ex tdl#Sext+C mi dl#S m i根据这一模型,活性炭的微孔表面比容量与清洁石墨的相接近,而外表面的比容量则与材料的孔结构、表面形态密切相关,且不同的活性炭之间可能相差很大。
J.A.Fernandez等[13]以12种树脂基活性炭为研究对象,考察了活性炭孔径分布与其电化学性能的关系。
结果表明,当孔径大于0.8nm时,/离子筛0效应消失,电解质离子才能进入活性炭孔隙内形成双电层。
A.B.Fuertes等[14]以聚糠醇为前驱体,采用模板法制备出平均孔径为3~8nm的超级电容器用中孔活性炭电极材料,通过实验证实孔径分布在3nm范围内的孔隙对超级电容器的电容量贡献较大。
江奇等[15]研究发现,KOH二次化学活化处理可大大增加活性炭电极材料在孔径为2~3nm的中孔,同时使其比电容量在1mol/L LiClO4/EC有机电解液中由原来的45F/g提高至145F/g,从而证实对于有机电解液,活性炭电极材料中2~ 3nm的中孔对其电容量的提高具有重要意义。