—超级电容器活性炭(日本KURARAY

活性炭的微结构与超级电容器性能的构效关系

活性炭的微结构与超级电容器性能的构效关活性炭作为一种多孔炭材料，因孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强等特性，被广泛应用于化工、环保、能源、航空、食品、W药和电子等领域的产品分离、精制、催化、储能等方面，特别是作为储能材料中的电极材料展现出良好的应用前景口］。

活性炭的制备方法主要有物理活化法、化学活化法、模板法等［2］。

不同活化方式所制备的活性炭其孔结构和表面结构特性有所不同［3］。

一般来说，物理活化制备的活性炭比表积适中，孔结构分布宽，表面基团多以碱性基团为主［4］；化学法如KOH活化法制备的活性炭比表面积高且多以微孔为主，而H3P04活化法制备的活性炭一般以介孔为主，表面基团多为酸性基团［5］。

此外，活化方式对炭的微晶结构以及表面杂原子的含量及化学状态也有较大的影响［6］。

活性炭作为超级电容器的电极材料，其孔结构、微晶结构、表面化学结构及状态等结构特性对其电化学性能产生显著影响［7］。

活性炭中丰富的微孔能够增加形成双电层的储能空间，一定的介孔可以提高在高电流密度下电解质离子的迁移速率，从而提高电极的倍率性能［8-9］。

活性炭表面的0、N、P等杂原子能够增加电极表面的震电容、导电性和润湿性［10-11］ o适当地增加活性炭表面杂原子，并调控杂原子的存在形式有益于提高活性炭的电化学性能。

然而，针对不同的活性炭，其最优的孔道结构、炭结构及表面结构并不统一, 因此电极材料的结构与电化学性能关系一直是超级电容器领域的研究热点。

研究活性炭的微结构（孔、微晶及表面）与其电化学性能的构效关系对构筑高效的活性炭电极材料，从而制备出高性能超级电容器具有重要意义。

尽管现有的研究工作已有一些相关的研究报道，但大多数仅仅是从孔结构及杂原子化学结构等单方面因素进行解释所得到的结果，针对活性炭的微结构与其电化学性能构效关系的系统研究及综合多因素影响考虑与探索的研究鲜有报道。

生物质廉价、可再生, 有天然孔道结构，是制备活性炭的优良前体，也是优质廉价的超级电容器电极材料［12］。

超级电容器电极材料——活性炭

超级电容器电极材料——活性炭碳材料由于具有成本低､⽐表⾯积⼤､孔隙结构可调､制备电极的⼯艺简单等特点,在研究EDLC的开始,⼈们就考虑使⽤碳材料作为其电极材料｡⽬前,应⽤于 EDLC的碳材料主要有活性炭､碳纳⽶管和炭⽓凝胶｡活性炭(activated carbon,AC)是EDLC使⽤最多的⼀种电极材料,它具有原料丰富､价格低廉､成形性好､电化学稳定性⾼､技术成熟等特点｡活性炭的性质直接影响EDLC的性能,其中最为关键的⼏个因素是活性炭的⽐表⾯积､孔径分布､表⾯官能团和电导率等｡⼀般认为活性炭的⽐表⾯积越⼤,其⽐电容就越⾼,所以通常可以通过使⽤⼤⽐表⾯积的活性炭来获得⾼⽐电容｡但实际情况却复杂得多,⼤量研究表明,活性炭的⽐电容与其⽐表⾯积并不呈线性关系,影响因素众多｡实验表明,清洁⽯墨表⾯的双电层⽐容为 20µF/cm2左右,如果⽤⽐表⾯积为2860m2/g的活性炭作为电极材料,则其理论质量⽐容应该为572F/g,然⽽实际测得的⽐容仅为130F/g,说明总⽐表⾯积中仅有22.7%的⽐表⾯积对⽐容有贡献｡国际纯粹与应⽤化学联合会(IUAPC)将多孔材料的孔隙分为微孔( <2nm)､中孔(2～50nm)和⼤孔(>50nm)三类｡EDLC主要靠电解质离⼦进⼊活性炭的孔隙形成双电层来存储电荷,由于电解质离⼦难以进⼊对⽐表⾯积贡献较⼤的､孔径过⼩的超细微孔,这些微孔对应的表⾯积就成为⽆效表⾯积｡所以除了⽐表⾯积外,孔径分布也是⼀个⾮常重要的参数,⽽且不同电解质所要求的最⼩孔径是不⼀样的｡Gsalirta等研究了⼏种不同孔结构的活性炭在LiCl､NaCl和KCl的⽔溶液及 LiBF4和 Et4NBF4的PC溶液中的双电层电容性能后证实了上述结论｡提⾼活性炭的⽐表⾯积利⽤率,进⽽提⾼其⽐容的有效⽅法是增⼤活性炭的中孔含量｡LeeJniwoo等运⽤模板法制备了⽐表⾯积为1257m2/g的中孔碳,其平均孔径为2.3nm,制成电容器后不论在⽔系还是有机电解质中其⽐容都明显⼤于分⼦筛炭｡另外,D.Y.Qu等的研究表明,增⼤中孔的含量,还可以明显提⾼EDLC的功率密度,因为孔径越⼤,电化学吸附速度越快,这说明孔径较⼤的碳材料能满⾜快速充放电的要求,适合制备⾼功率的电容器｡另外,孔径分布对EDLC的低温容量也有影响,具有更多纳⽶以上孔径的碳电极其低温容量减⼩得更慢｡通过电化学氧化､化学氧化､低温等离⼦体氧化或添加表⾯活性剂等⽅式对碳材料进⾏处理,可在其表⾯引⼊有机官能团｡⼤量研究表明,表⾯有机官能团对EDLC的性能有很⼤影响｡⼀⽅⾯,有机官能团可以提⾼电解质对碳材料的润湿性,从⽽提⾼碳材料的⽐表⾯积利⽤率,同时这些官能团在充放电过程中还可以发⽣氧化还原反应,产⽣赝电容,从⽽⼤幅度提⾼碳材料的⽐容｡A.Y.Rychagov的研究证明表⾯官能团的赝电容效应对⽐电容的贡献有时可达50%以上｡另⼀⽅⾯,碳材料表⾯官能团对电容器的性能也存在负⾯影响,研究表明碳材料表⾯官能团含量越⾼,材料的接触电阻越⼤,从⽽导致电容器的ERS也就越⼤;同时,官能团的法拉第副反应还会导致电容器漏电流的增⼤;另外,碳材料电极表⾯含氧量越⾼,电极的⾃然电位越⾼,这会导致电容器在正常⼯作电压下也可能发⽣⽓体析出反应,影响电容器的寿命｡活性炭的电导率是影响EDLC充放电性能的重要因素｡⾸先,由于活性炭微孔孔壁上的碳含量随表⾯积的增⼤⽽减少,所以活性炭的电导率随其表⾯积的增加⽽降低;其次,活性炭材料的电导率与活性炭颗粒之间的接触⾯积密切相关;另外,活性炭颗粒的微孔以及颗粒之间的空隙中浸渍有电解质溶液,所以电解质的电导率､电解质对活性炭的浸润性以及微孔的孔径和孔深等都对电容器的电阻具有重要影响｡总之,活性炭具有原料丰富､价格低廉和⽐表⾯积⾼等特点,是⾮常具有产业化前景的⼀种电极材料｡⽐表⾯积和孔径分布是影响活性炭电化学电容器性能的两个最重要的因素,研制同时具有⾼⽐表⾯积和⾼中孔含量的活性炭是开发兼具⾼能量密度和⾼功率密度电化学电容器的关键｡。

2024年超级电容活性炭市场发展现状

2024年超级电容活性炭市场发展现状引言超级电容活性炭是一种重要的电化学材料，被广泛应用于超级电容器等领域。

本文旨在分析当前超级电容活性炭市场的发展现状，包括市场规模、市场竞争格局和未来发展趋势等方面。

市场规模目前，全球超级电容活性炭市场规模快速增长。

根据市场研究机构的数据显示，2019年全球超级电容活性炭市场规模达到XX亿美元，并预计未来几年将以XX%的复合年增长率继续增长。

市场竞争格局超级电容活性炭市场竞争激烈，主要厂商之间存在一定的市场份额争夺。

目前，全球超级电容活性炭市场的主要参与者包括公司A、公司B和公司C等。

这些公司在技术实力、产品质量和市场拓展能力方面存在一定差异。

•公司A: 具有先进的生产工艺和技术优势，其产品在市场上具有较高的知名度和市场份额。

•公司B: 专注于产品研发和创新，致力于提高产品性能和降低生产成本。

•公司C: 拥有优秀的市场销售团队和客户服务能力，在全球范围内建立了广泛的销售网络。

市场发展趋势技术创新超级电容活性炭市场的发展离不开技术创新的推动。

随着科学技术的进步，制备超级电容活性炭的新方法和新技术不断涌现。

例如，采用化学气相沉积法制备超级电容活性炭，可以显著提高其电化学性能和循环稳定性。

应用扩展目前，超级电容活性炭主要应用于超级电容器领域。

然而，随着新能源汽车和可再生能源等领域的快速发展，超级电容活性炭的应用将得到进一步拓展。

例如，超级电容活性炭可以用于储能系统、电动工具和智能电网等领域。

环保意识提高随着全球环保意识的提高，对绿色和可持续发展的需求不断增加，超级电容活性炭作为一种环保材料受到越来越多的关注。

超级电容活性炭的制备过程中不需要使用稀有金属等资源，可以减少对环境的影响，符合可持续发展的要求。

结论超级电容活性炭市场具有巨大的发展潜力，市场规模不断扩大。

随着技术创新的不断推进，市场竞争将进一步加剧。

同时，超级电容活性炭的应用领域也将得到扩展，市场前景广阔。

然而，市场参与者需要密切关注环境保护要求，加强产品质量和技术创新，以在竞争中占据有利地位。

2023年超级电容活性炭行业市场分析现状

2023年超级电容活性炭行业市场分析现状目前，超级电容活性炭行业市场正在迅速发展。

超级电容活性炭是一种具有高比表面积和电导率的材料，被广泛应用于电池、电动汽车、能源存储和其他领域。

随着能源需求的增加和环保意识的提高，超级电容活性炭市场的潜力巨大。

首先，超级电容活性炭在能源存储领域具有广阔的应用前景。

随着可再生能源和电动汽车的发展，能源存储需求越来越大。

而超级电容活性炭作为高效能源存储材料，具有高能量密度、高功率密度和长寿命等特点，受到了越来越多厂商的青睐。

因此，超级电容活性炭在能源存储领域的市场需求将会持续增加。

其次，超级电容活性炭在消费电子产品中的应用也越来越广泛。

如今，智能手机、平板电脑和可穿戴设备等消费电子产品已经成为人们生活中不可或缺的一部分。

而超级电容活性炭作为一种高效能量存储材料，可以为这些产品提供更长的电池续航时间和更高的充电速度。

因此，超级电容活性炭在消费电子产品市场中的需求也在不断增长。

此外，超级电容活性炭在汽车行业中也有着重要的应用。

随着全球对节能环保的要求越来越高，电动汽车的市场需求也在不断增加。

而超级电容活性炭作为电动汽车能量储存的关键材料，可以提供更高效的能量转换和更快的充电速度，大大提升了电动汽车的性能和使用体验。

因此，超级电容活性炭在电动汽车市场中的需求也在不断增加。

然而，超级电容活性炭市场也面临一些挑战。

首先，超级电容活性炭的生产成本较高，使得其价格相对较高。

这限制了其在某些领域的应用和市场规模的扩大。

其次，超级电容活性炭的生产工艺和技术仍在不断改进和研究中，市场上的产品质量和稳定性有待提高。

此外，超级电容活性炭市场还面临着来自其他能源存储技术的竞争，如磷酸铁锂电池、锂离子电池等。

因此，超级电容活性炭行业需要不断创新和提高技术水平，以应对市场竞争和满足客户需求。

总的来说，超级电容活性炭行业市场目前处于快速发展阶段。

该行业在能源存储、消费电子产品和汽车领域具有广阔的应用前景。

一种超级电容器用活性炭及其制备方法和应用[发明专利]

专利名称：一种超级电容器用活性炭及其制备方法和应用专利类型：发明专利
发明人：阮殿波,于学文,乔志军,丁升
申请号：CN201910491068.7
申请日：20190606
公开号：CN110357092A
公开日：
20191022
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种超级电容器用活性炭及其制备方法和应用，属于电极材料技术领域，该活性炭表面键合纳米材料，并通过如下方法进行制备：将异丙醇铝加入到去离子水中，加热、搅拌溶解，同时滴加酸液，继续加热、二次搅拌得溶胶；将溶胶与商用活性炭混合后进行球磨处理得混料，再将混料转移至炭化炉中，炭化处理得超级电容器用活性炭。

材料制备过程简单，能够在现有商品化超级电容器用活性炭材料的设备中完成工程化制备、生产。

申请人：宁波中车新能源科技有限公司
地址：315112 浙江省宁波市鄞州区五乡镇时代路199号
国籍：CN
代理机构：宁波市鄞州盛飞专利代理事务所(特殊普通合伙)
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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。

活性炭超级电容器的电化学行为

2.1 原料预碳化
• 作为制备活性炭的含碳量高的原料除了含有碳元素还有一些非碳元素，如氧、氢、氟、硫等元素。这些元素含量的高低和化学结构状态都能影响活性炭的性能。
• 碳化是将原料在保护气氛下加热处理，使原料发生热分解。碳化过程是伴随着非碳元素排出的过程，这些元素一般以气体的形式排出，如氧气、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳等。碳化温度和碳化时间是影响碳化程度和最终得到的活性炭性能的重要条件，这两个条件能对活性炭的收率、比表面积、孔容积、孔径分布等性能产生重大影响。
2.4活化方法
活化反应用氧化气体或化学物质做氧化剂清除孔隙中杂质，扩大炭化料在炭化过程中产生的孔隙和产生新的微孔，进而提高了孔容积和比表面积。
活化方法
物理活化法化学活化法
2.5 化学活化法
• 活化剂：KOH,H3PO4,ZnCl2等
• 控制因素：活化剂种类、活化温度、活化时间、活化剂比例等
• 碳化温度过高导致活性炭收率降低的主要原因有两点：其一温度越高，生物质热解的越充分；其二是形成的焦炭残留物发生了二次分解。
2.3 时间对碳化的影响
• 康捷等在用棉秆制备活性炭的一文中对碳化时间对活性炭性能的影响进行了研究，结果表明：在 400℃下活化，碳化时间延长至180min，此阶段内活性炭的吸附性能得到了提高，但碳化时间从180 min延长至240 min，吸附性能没有明显增强，因此碳化温度为400℃，碳化时间为180 min为最佳条件。碳化时间越长，挥发分逸出而留下的孔隙越多，炭化越充分，利于有机物成炭，减少堵塞孔的焦油，利于微孔的形成。但是当碳化完全之后，碳化时间的延长对活性炭的影响不再明显。
3.3 比容量的测试
图3 电极Bode谱图