碳納米管在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

1、碳納米管在超級(jí)電容器中的應(yīng)用碳納米管在超級(jí)電容器中的應(yīng)用凝聚態(tài)物理 徐嬌 LOGOContents什么是超級(jí)電容器1為什么要研究超級(jí)電容器2為什么要選用碳納米管作為超級(jí)電容器的電極材料？3目前碳納米管制作電極材料有哪些方向？4什么是超級(jí)電容器什么是超級(jí)電容器 1.超級(jí)電容器超級(jí)電容器（ Supercapacitor ） “超級(jí)電容器超級(jí)電容器”一詞源自于二十世紀(jì)六十年代末日本NEC公司生產(chǎn)的電容器產(chǎn)品“SUPER一CAPACITOR”，它泛指具有很高功率和高能量密度的電容器。所謂“超級(jí)電容器器”本質(zhì)上是根據(jù)電化學(xué)原理設(shè)計(jì)、制造出來(lái)的，因此它又被稱為電化學(xué)電容器(Eleetro一chemical

2、capatiors，Ec)。什么是超級(jí)電容器什么是超級(jí)電容器2.基本原理雙雙電電層層電電容容雙電層電容是在電極/溶液界面通過(guò)電子或離子的定向排列造成電荷的對(duì)峙所產(chǎn)生的。對(duì)一個(gè)電極/溶液系，會(huì)在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。什么是超級(jí)電容器什么是超級(jí)電容器法法拉拉第第贗贗電電容容法拉第贗電容是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電極活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附脫附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對(duì)于法拉第準(zhǔn)電容，其儲(chǔ)存電荷的過(guò)程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應(yīng)而將電荷儲(chǔ)存于電極中。為什么要研究

3、超級(jí)電容器為什么要研究超級(jí)電容器TtTextTextTex1.超級(jí)電容器與電池性能比較超級(jí)電容器與電池性能比較性能 電容器 超級(jí)電容器 電池放電時(shí)間/s 10- 6 10- 3 1 30 1080 10800充電時(shí)間/s 10- 6 10- 3 1 30 3600 18000能量密度/Whkg- 1 10000 1000 2000 50 200充放電效率 1. 0 0. 90 0.95 0. 70 0. 85循環(huán)壽命/次 無(wú)限次 100， 000 500 2000為什么要研究超級(jí)電容器為什么要研究超級(jí)電容器TtTextTextTex2.2.超級(jí)電容器特點(diǎn)超級(jí)電容器特點(diǎn)(1)比功率高(能夠提供幾

4、百Wkg-1到幾千Wkg-1的功率度);(2)大電流快速充電特性好;(3)電壓與容量的模塊化;(4)使用溫度范圍寬，為一40+70;(5)循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)10萬(wàn)次;(6)無(wú)污染，真正免維護(hù);(7)價(jià)格低;(8)不需冷卻及其它附屬設(shè)備;(9)可以提供很高的放電電流，如2700F的超級(jí)電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá)1680A;(10)可以任意并聯(lián)使用來(lái)增加電容量，如采取均壓措施后，還可串聯(lián)使用為什么要研究超級(jí)電容器為什么要研究超級(jí)電容器TtTextTextTex3.研究意義 由于超級(jí)電容器具以上優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，它已經(jīng)成為全球研究熱點(diǎn)件刊。超級(jí)電容器可以用來(lái)與動(dòng)力電池配合使用，

5、充當(dāng)大電流或能量緩沖區(qū)，減小大電流充放電對(duì)電池的傷害，延長(zhǎng)電池的使用壽命，同時(shí)能較好地通過(guò)再生制動(dòng)系統(tǒng)將瞬間能量回收于超級(jí)電容器中，提高能量利用率;另外也可應(yīng)用于其他系統(tǒng)中，如作為燃料電池的啟動(dòng)動(dòng)力，做移動(dòng)通訊和計(jì)算機(jī)的電力支持等 特別是在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用對(duì)提高其加速性能、瞬時(shí)啟動(dòng)、爬坡能力、吸收利用剎車和顛簸能量的作用幾乎是無(wú)可替代的，美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)都先后投入大量人力、物力對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，有些公司的產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。例如，美國(guó)能源部對(duì)電動(dòng)車用超級(jí)電容器的開(kāi)發(fā)已制訂了相應(yīng)發(fā)展計(jì)劃，遠(yuǎn)期目標(biāo)為比功率達(dá)到1500W.kg-1，比能量達(dá)到15W.h.kg-1。為什么要選用碳納米管作

6、為超級(jí)電容器的極材料？為什么要選用碳納米管作為超級(jí)電容器的極材料？ConceptTextTextTextTextTextText1.1.超級(jí)電容器的改進(jìn)超級(jí)電容器的改進(jìn)雙電層電容原理提高電極材料比表面積和孔利用率，從而增大比電容，比能也就增大了。贗電容原理提高電極材料可逆法拉第反應(yīng)的幾率，從而增加比能。多孔碳材料1.活性炭 2.活性炭纖維3.碳納米管etc.1.金屬氧化物電極材料如：RuO2、NiO、CoO等2.導(dǎo)電聚合物電極材料如：PPY、PTH、PVN為什么要選用碳納米管作為超級(jí)電容器的極材料？為什么要選用碳納米管作為超級(jí)電容器的極材料？Concept 由石墨原子單層繞同軸纏繞而成或由單層

7、石墨圓筒沿同軸層層套構(gòu)而成的管狀物。其直徑一般在一到幾十個(gè)納米之間，長(zhǎng)度則遠(yuǎn)大于其直徑。 tTextTextTextTextText2.2.碳納米管碳納米管（ CNT ）為什么要選用碳納米管作為超級(jí)電容器的極材料？為什么要選用碳納米管作為超級(jí)電容器的極材料？Co優(yōu)良的導(dǎo)電性ncept中空結(jié)構(gòu)，納米尺寸部分碳sp3雜化TextTextTextTextText3.3.結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能巨大的比表面積碳原子sp2雜化高模量、高強(qiáng)度目前碳納米管制作電極材料有哪些方向目前碳納米管制作電極材料有哪些方向直接用直接用CNTCNT制作電極材料制作電極材料 單壁CNT、多壁CNT等等。用活化后的用活化后的CN

8、TCNT制作電極材料制作電極材料 用HNO3、CO2、空氣等活化CNT，增大其比表面積，從而增大其比容量，并改善其循環(huán)使用性能。CNTCNT與金屬氧化物復(fù)合制作電極材料與金屬氧化物復(fù)合制作電極材料 與過(guò)度金屬氧化物（RuO2、NiO2、MnO2等）復(fù)合，當(dāng)過(guò)渡金屬氧化物與復(fù)合后，過(guò)渡氧化物電極上可發(fā)生快速可逆的電極反應(yīng)，同時(shí)CNT具有大比表面積的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和CNT良好的導(dǎo)電性使電子傳遞更能進(jìn)入到電極內(nèi)部，使能量存儲(chǔ)于三維空間中，最終提高了電極的比電容和能量密度。CNTCNT與導(dǎo)電聚合物復(fù)合制作電極材料與導(dǎo)電聚合物復(fù)合制作電極材料 將導(dǎo)電聚合物（PPY、PAN、PANI等）包覆于碳納米管上， 使二

9、者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，復(fù)合電極材料具有優(yōu)于導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性和循環(huán)性能， 而比容量也較碳納米管有了大幅提高。CNTCNT與石墨烯復(fù)合制作電極材料與石墨烯復(fù)合制作電極材料CNT超級(jí)電容器的幾大發(fā)展方向Diagram 碳納米管在超級(jí)電容器中的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。不同方法制備出的碳納米管由于微觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)存在較大的差別， 再加上電極成型工藝、所用電解液體系和測(cè)試方法等的不同， 電容性能差別很大。目前的研究多集中在碳納米管的制備方面， 針對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的關(guān)系等理論問(wèn)題的研究較少， 還缺乏清晰的認(rèn)識(shí)， 今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的工作以指導(dǎo)碳納米管的制備和篩選。碳納米管比表面積小， 比容量偏低?；瘜W(xué)活化可以顯著提高其比表面積， 增大其比電容。將碳納米管與準(zhǔn)電容材料金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔飶?fù)合， 可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，