碳纳米管在超级电容器中的应用
碳纳米管制备及其应用前沿
碳纳米管制备及其应用前沿碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米管状结构，具有优异的物理和化学性质，在许多领域具有广泛的应用前景。
接下来将从制备方法和应用前沿两个方面进行介绍和探讨。
一、碳纳米管的制备方法目前，制备碳纳米管的方法主要包括电弧放电、激光脱附、化学气相沉积、碳原子沉积和碳纳米管模板法等。
其中，化学气相沉积是目前较为常用的制备方法。
化学气相沉积法是在高温下，使含碳气体在催化剂表面上裂解，生成碳纳米管，并通过合适的控制方法，调节管子的直径、壁厚等性质。
此外，在催化剂上引入其他金属元素，如铁、镍等，还可以得到多壁碳纳米管、碳纳米带和碳纳米球等不同形态的碳纳米材料。
二、碳纳米管的应用前沿(一)能源储存碳纳米管具有极高的表面积和优异的电化学性能，已被广泛地应用于电池、超级电容器等领域。
例如，在锂离子电池中，将碳纳米管作为电极，可以大幅提高电极的比表面积、导电性能和循环寿命。
在超级电容器中，由于碳纳米管具有高比表面积和优异的导电性能，被广泛应用于电容的电极材料。
(二)催化剂由于碳纳米管的高比表面积和优异的催化性能，已成为新一代高效的催化剂材料。
例如，在氢能源领域，碳纳米管可以作为催化剂在反应中转化氢气，从而推进氢能源的发展。
同时，碳纳米管还可以用于金属催化剂的支撑材料，以提高催化剂的催化效率和稳定性。
(三)生物传感器碳纳米管还可以用于生物传感器的制备，具有极高的灵敏度和选择性。
例如，在血糖检测中，将碳纳米管复合在臂带上，可以使用手机APP通过检测臂带的信号来进行血糖测量。
(四)纳米电子学由于碳纳米管的导电性能和尺寸效应，在纳米电子学领域也有广泛的应用。
例如，碳纳米管可以用作场效应管的电极材料，制备高性能的纳米电子器件。
总之，碳纳米管作为一种新型的纳米材料，在能源储存、催化剂、生物传感器、纳米电子学等领域都有着广阔的应用前景。
随着技术的不断成熟和进步，相信碳纳米管在更多领域将会有更广泛的应用。
碳纳米管在超级电容器中的应用
碳纳米管在超级电容器中的应用在现代科技中，储存和转换电能的需求越来越高，超级电容器由于其高功率密度和长寿命等优点而备受瞩目。
其中，碳纳米管材料是超级电容器中理想的电极材料之一。
本文将从碳纳米管的结构特点、制备方法以及在超级电容器中的应用等方面进行探讨。
一、碳纳米管的结构特点碳纳米管是由若干层具有六元环结构的碳原子构成的管状结构，其直径通常在1~100纳米之间。
碳纳米管的特殊结构赋予其独特的电学、光学、力学和导热等性质，其中主要包括以下几个方面：1.良好的导电性:碳纳米管具有良好的电导率和电子迁移率，可用于制备高性能电子器件。
2.优异的力学性能:碳纳米管具有极高的模量和强度，较好的韧性和弹性，可用于制备高性能纳米机械器件。
3.优异的光学性能:碳纳米管在红外波段具有良好的透光性，可用于制备高效率的光电器件。
二、碳纳米管的制备方法目前，碳纳米管主要有化学气相沉积法、电弧等离子体放电法、激光热解法、电化学方法等多种制备方法。
这些方法各有特点，但都需要一定的设备和技术条件。
1.化学气相沉积法:该方法是通过在高温下一定气氛下沉积碳原子来制备碳纳米管，其优点是操作简便，但缺点是制备的碳纳米管质量不高。
2.电弧等离子体放电法:该方法是利用直流电弧等离子体在高温下沉积碳原子制备碳纳米管，其优点是制备出来的碳纳米管质量高，但设备复杂，成本较高。
3.激光热解法:该方法是利用激光加热碳源来制备碳纳米管，其优点是制备出的纳米管尺寸分布较小，质量高，但设备复杂，制备周期长。
4.电化学方法:该方法是通过在电解质溶液中加入碳源，利用外加电压在电极上沉积碳纳米管。
该方法简单易行，无需高温高压，但制备出的纳米管尺寸分布不均匀。
三、碳纳米管材料可用于制备超级电容器的电极材料，主要有两种方法：一种是利用碳纳米管的高表面积制备电极材料；另一种是将碳纳米管与其他电极材料复合制备电极材料。
1.利用碳纳米管的高表面积制备电极材料:碳纳米管单层结构的表面积相对较大，可以提高电极材料的活性表面积，从而提高电容器的能量密度和功率密度。
碳纳米管材料在电池制造中的应用
碳纳米管材料在电池制造中的应用碳纳米管（Carbon nanotube，CNT）是一种具有独特属性的纳米材料。
它们是由碳原子组成的，呈现出一种管状结构，长约为数微米到数十微米不等，直径则为几个纳米。
碳纳米管因其高分子量、高比表面积和优异的电导率等特性，已经成为研究的热点，具有广泛的应用前景。
其中，碳纳米管材料在电池制造中的应用是非常引人瞩目的。
一、碳纳米管材料在锂离子电池制造中的应用锂离子电池是当前商业化程度最高的可充电电池之一。
碳纳米管由于其优良的导电性和高比表面积，可以作为锂离子电池的电极材料，提高电池的容量和功率密度。
研究表明，将碳纳米管作为电极材料，不仅可以提高电池初始容量，还可以减轻电极的体积膨胀和收缩，从而延长电池的寿命。
此外，碳纳米管还可以作为导电添加剂用于制备锂离子电池的电解质，提高电解液的电导率，从而提高电池的充放电效率和循环寿命。
二、碳纳米管材料在银锌电池制造中的应用银锌电池是一种常用于医疗器械和电子设备等领域的纽扣电池。
在传统的银锌电池中，锌是主要反应物，其容量较低且存在结构膨胀问题，导致电池循环一定次数后会失去活性。
近年来，研究人员发现通过添加碳纳米管可以显著提高银锌电池的容量和功率密度。
其原理是碳纳米管的高导电性和结构稳定性，能够促进电池反应的进行并减缓电极结构的膨胀和收缩。
三、碳纳米管材料在超级电容器制造中的应用超级电容器，也称为电化学双层电容器，以其高能量密度、长循环寿命和快充速度等优点备受研究者的青睐。
碳纳米管是制备超级电容器的优良材料之一。
首先，碳纳米管具有大比表面积和优异的电极化学性质，可以提高电容器的能量密度和功率密度。
其次，碳纳米管还可以用于制造复合电极材料，通过改变碳纳米管的形态和结构，实现更好的电容性能。
综上所述，碳纳米管作为一种具有优异性能的新型材料，为电池制造提供了新的思路和方法。
未来，碳纳米管材料在电池制造中的应用前景十分广阔，也将为新能源和节能环保等领域的发展做出更大的贡献。
新型碳纳米管应用于超级电容器的研究
新型碳纳米管应用于超级电容器的研究超级电容器是一种能够存储和释放电荷的装置，以其高能量密度、高功率密度、长循环寿命和短充电时间的优良性能而备受关注。
然而，现有的超级电容器仍然存在存储能量密度不足、循环寿命短、成本过高等问题，限制了其在实际应用中的广泛使用。
近年来，新型碳纳米管在超级电容器领域的应用成为了研究的一个重点。
碳纳米管是由单层或多层碳原子组成的空心圆柱形结构，在电化学器件中具有较好的电极材料性能。
研究表明，碳纳米管具有卓越的导电性、化学稳定性、可调节的孔径大小和高比表面积等优异特性，因此在应用领域具有广泛的前景。
利用碳纳米管作为电极的超级电容器因其高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优点而受到广泛关注。
一方面，碳纳米管的高比表面积可以提高电容器的存储能量密度。
由于碳纳米管表面积大，能够提供更多的表面吸附位和存储电荷的空间，因此可以增加电容器的存储容量。
同时，碳纳米管的小孔径也可以提高电容器的电容效率和循环寿命。
由于电容器中的电荷是在电极表面固定的，因此小孔径有利于电荷的有效固定，从而提高电荷的利用效率。
此外，小孔径还可减少电解液的扩散，延长电容器的循环寿命。
另一方面，碳纳米管的高导电性可以提高电容器的功率密度，即快速充放电能力。
碳纳米管具有较高的电子输运速度和极低的内阻，可以实现电荷的快速传输和充放电反应的高速进行。
此外，碳纳米管的高化学稳定性也可以保证电容器的长期稳定性和循环寿命。
因此，利用碳纳米管构筑超级电容器已成为研究的热点。
目前，研究者们通过多种方法制备碳纳米管电极材料，并探索了一系列电化学性能和微观结构特征。
例如，文献报导了利用碳纳米管和谷氨酸修饰的多壁纳米碳管制备超级电容器，该电容器表现出优异的电容性能和循环稳定性。
同时，也研究了在不同电解质里碳纳米管的电化学行为，以乙腈为电解质的电容器在不同电压范围内展现了不同的电化学行为。
总之，碳纳米管作为电极材料的超级电容器拥有稳定的化学性质和优异的电化学性能，是一种具有很高应用前景的能源储存技术。
碳纳米材料在电池中的应用研究
碳纳米材料在电池中的应用研究引言：随着能源需求的增长和能源消耗的加剧，传统燃料的使用已经不再可持续。
因此，人们对新型能源储存和转换技术的需求变得越来越迫切。
碳纳米材料由于其特殊的结构和优异的性能，在能源领域中得到了广泛关注。
本文将重点讨论碳纳米材料在电池中的应用研究，探讨其潜在的应用前景和挑战。
一、碳纳米材料的特性和制备方法碳纳米材料是由碳原子构成的纳米尺度材料，包括碳纳米管、石墨烯、炭黑等。
它们具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等独特的特性。
碳纳米材料的制备方法繁多，常见的有化学气象法、电弧放电法和化学气相沉积法等。
二、碳纳米材料在锂离子电池中的应用1. 正极材料改性由于其高比表面积和导电性，碳纳米材料可用于改善锂离子电池正极材料的性能。
例如，将碳纳米管添加到锂铁磷酸盐正极材料中，可以提高其电导率和锂离子扩散速度，从而提高电池的放电性能和循环稳定性。
2. 负极材料改性碳纳米材料还可以用于改善锂离子电池负极材料的性能。
石墨烯的应用研究表明，添加石墨烯可以提高负极材料的电导率和锂离子嵌入/脱嵌速率，从而增加电池的储能密度和循环寿命。
三、碳纳米材料在超级电容器中的应用1. 电极材料改性碳纳米材料可以用于改善超级电容器的电极材料。
炭黑是一种常用的电极材料，其高比表面积和导电性使得电容器具有较高的电容量和快速的充放电速度。
此外，碳纳米管和石墨烯等材料的引入也可以进一步提高超级电容器的性能。
2. 电解质改性除了作为电极材料的改性外，碳纳米材料还可以用于改善超级电容器的电解质。
例如，添加碳纳米材料到电解质中可以提高其离子传导能力和界面稳定性，从而提高超级电容器的性能。
四、碳纳米材料在太阳能电池中的应用碳纳米材料也被广泛研究用于太阳能电池中。
由于其高比表面积和导电性，碳纳米材料可以提高太阳能电池的光吸收能力和电荷传输速率。
此外，石墨烯和碳纳米管的应用可以提高太阳能电池的稳定性和寿命。
总结：碳纳米材料在电池中的应用研究显示出了巨大的潜力。
碳纳米管复合材料用于超级电容器的研究
碳纳米管复合材料用于超级电容器的研究超级电容器是目前科技领域中备受关注的一种电子器件，其具有充放电速度快、寿命长、可重复充放电等优点。
因此，它在能量存储和传输方面有着广泛的应用前景，例如在汽车、飞机等领域的能源回收和存储，以及可穿戴设备、智能家居等领域的电源供应。
然而，目前市场上的超级电容器仍存在着容量低、能量密度不足等问题，这制约了其在实际应用中的发展。
因此，如何提高超级电容器的性能和容量一直是科学家们持续研究的热点问题，而碳纳米管复合材料的应用就是其中的一种解决方案。
碳纳米管是一种直径在几纳米到数十纳米之间、长度在几微米到数千微米之间的碳纳米材料。
它具有极高的强度、导电性和热导率等优良性能，这些优点使得碳纳米管成为解决超级电容器容量低和能量密度不足的一种有效方法。
同时，构建碳纳米管复合材料还能够提高超级电容器的稳定性和循环寿命。
目前，有许多学者对碳纳米管复合材料用于超级电容器的研究展开了深入探讨。
其中，最常用的方法是将碳纳米管与活性材料组合使用制备电极。
这种方法能够在利用碳纳米管的高导电性和力学强度的同时，也提供了高表面积和更高的容量存储量。
此外，还有一些学者利用碳纳米管的三维网络结构来制备超级电容器。
这种三维网络结构具有高比表面积、良好的电子传输性和电容能力等特点，可大大提高超级电容器的性能。
除此之外，我们还能够探讨到碳纳米管复合材料提高超级电容器性能的其它可能性。
例如，应用生物体系、多孔碳和二维材料构建复合电容器等。
这些方法所依赖的机理不同，因而也具有各自独特的优点。
总之，碳纳米管复合材料的应用为提高超级电容器的性能提供了可行的解决方案。
随着科技的飞跃和技术的进步，碳纳米管复合材料将会得到更广泛的应用，进一步推动超级电容器的发展和应用领域的拓展。
碳纳米管的具体应用
碳纳米管的具体应用碳纳米管是由碳原子组成的纳米尺寸管状结构，具有优异的物理和化学性质，因此在众多领域中具有广泛的应用前景。
本文将从电子学、材料科学、生物医学、能源领域等多个方面介绍碳纳米管的具体应用。
1. 电子学领域碳纳米管在电子学领域有着重要的应用，主要体现在以下几个方面：（1）场效应晶体管（FET）：碳纳米管可以作为FET的通道材料，具有优异的电子输运性能，可实现高速、低功耗的电子器件。
（2）纳米电子学器件：碳纳米管可以用于制备纳米电子学器件，如纳米电极、纳米线和纳米电容器等，用于构建超高密度的集成电路。
（3）柔性电子学：碳纳米管具有优异的柔性性质，可以用于制备柔性电子学器件，如柔性传感器、柔性显示器等，为可穿戴设备和可弯曲电子设备提供了新的可能性。
2. 材料科学领域碳纳米管在材料科学领域有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：（1）复合材料增强剂：碳纳米管可以作为一种优秀的增强剂，加入到金属、陶瓷或聚合物基体中，可以显著提高材料的力学性能和导电性能。
（2）催化剂载体：碳纳米管具有大比表面积和良好的导电性质，可作为催化剂的载体，提高催化反应的效率和选择性。
（3）锂离子电池负极材料：碳纳米管具有高比表面积和良好的电子传导性能，可作为锂离子电池负极材料，具有高容量和长循环寿命等优点。
3. 生物医学领域碳纳米管在生物医学领域有着广泛的应用前景，主要体现在以下几个方面：（1）药物传递：碳纳米管可以作为药物的载体，通过调控其表面性质和内部结构，实现药物的控释和靶向传递，提高药物治疗的效果。
（2）生物传感器：碳纳米管具有高比表面积和优异的电化学性能，可以用于制备生物传感器，实现对生物分子的灵敏检测和诊断。
（3）组织工程：碳纳米管可以作为支架材料用于组织工程，促进细胞生长和组织修复，具有重要的临床应用前景。
4. 能源领域碳纳米管在能源领域有着重要的应用，主要体现在以下几个方面：（1）锂离子电池：碳纳米管可以作为锂离子电池的电极材料，具有高比表面积和优异的电导率，可提高电池的能量密度和循环寿命。
碳纳米管在超级电容器中的应用研究进展 (1)
万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据碳纳米管在超级电容器中的应用研究进展作者：吴锋， 徐斌， WU Feng， XU Bin作者单位：吴锋,WU Feng(北京理工大学,化工与环境学院,国家高技术绿色材料发展中心,北京,100081)， 徐斌,XU Bin(北京理工大学,化工与环境学院,国家高技术绿色材料发展中心,北京,100081;防化研究院,北京,100083)刊名：新型炭材料英文刊名：NEW CARBON MATERIALS年，卷(期)：2006,21(2)被引用次数：10次参考文献(63条)1.Burke A Ultracapacitor:why,how,and where is the technology[外文期刊] 20002.Nishino A Capacitors:operating principles,current market and technical trends[外文期刊] 19963.Soavi F New trends in electrochemical supercapacitors[外文期刊] 2001(1-2)4.Nomoto S.Nakata H.Yoshioka K Advanced capacitors and their application[外文期刊] 20015.Arbizzani C.Mastragostino M Principles and applications of electrochemical capacitors[外文期刊] 20006.Robert A H Supercapacitors and electrochemical pulse sources[外文期刊] 20007.Chu A.Braatz P Comparison of commercial supercapacitors and high-power lithium-ion batteries for power-assist applications in hybrid electric vehicles I.Initial characterization[外文期刊] 20028.Faggioli E.Rena P.Danel V Supercapacitors 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纳米材料在超级电容器中的应用教程
纳米材料在超级电容器中的应用教程超级电容器作为一种新型的电能存储装置，由于其高能量密度、高功率密度以及长寿命的特点，被广泛应用于电动车辆、可再生能源储存和电子设备等领域。
而纳米材料作为超级电容器中的关键组成部分，在提高超级电容器性能方面发挥着重要的作用。
本篇文章将从纳米材料的选材、制备以及应用等方面，为大家详细介绍纳米材料在超级电容器中的应用。
一、纳米材料选材在选择纳米材料时，需要考虑其导电性、比表面积和电容特性等因素。
常用的纳米材料包括碳纳米管、氧化物纳米材料和金属纳米材料等。
1.碳纳米管：碳纳米管具有优异的导电性和机械性能，可以用作超级电容器的电极材料。
碳纳米管具有高比表面积，能够提供更多的电极-电解质界面，提高电极材料的电容量。
2.氧化物纳米材料：针对电解质的选择，可以利用氧化物纳米材料，如氧化铝、氧化锌等。
这些氧化物纳米材料具有良好的电化学性能和可调控的表面性质，可以提高超级电容器的电容量和循环稳定性。
3.金属纳米材料：金属纳米材料在超级电容器中可以用作电极材料，如银纳米颗粒、镍纳米线等。
金属纳米材料具有高的电导率和可调控的结构特点，能够提高电极材料的电导率和电荷传输性能。
二、纳米材料制备在超级电容器中，纳米材料的制备对超级电容器的性能和稳定性具有重要影响。
以下介绍几种常见的纳米材料制备方法。
1.碳纳米管的制备：碳纳米管可以通过化学气相沉积、碳热还原等方法制备。
化学气相沉积是较常用的碳纳米管制备方法，通过在催化剂表面沉积碳源来生长碳纳米管。
2.氧化物纳米材料的制备：氧化物纳米材料可以通过溶液法、气相法等方法制备。
其中，溶液法是较常用的制备方法，通过调节溶液中的反应条件，如温度、溶剂等，来控制氧化物纳米材料的形貌、大小和晶体结构。
3.金属纳米材料的制备：金属纳米材料可以通过溶液法、溅射法、电化学沉积等方法制备。
其中，溶液法是较常用的制备方法，通过在溶液中加入金属盐和还原剂，控制反应条件来制备金属纳米材料。
碳基材料在电化学储能中的应用
碳基材料在电化学储能中的应用近年来，碳基材料在电化学储能领域中的应用越来越受到人们的关注。
碳基材料具有很高的比表面积、良好的电导率、高化学稳定性等优良的性能，使得它在储能领域中有着广泛的应用。
本文将对碳基材料在电化学储能中的应用进行探讨。
一、碳基材料概述碳基材料是由纯净的碳元素构成的材料，具有优良的物理化学性质，如高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等。
目前，碳基材料已经广泛应用于电化学储能、光电催化、传感器、催化剂等领域。
其在电化学储能领域中的应用尤为重要。
二、碳基材料在超级电容器中的应用超级电容器是一种高效储能装置，能够快速储存和释放电能。
碳基材料是制备超级电容器所必须的材料之一。
其中，以活性炭和碳纳米管为代表的碳基材料因其高比表面积和高导电性而成为制备超级电容器的理想材料。
活性炭是由木材、植物、煤炭等原料在高温条件下经过物理或化学处理后制备而成的一种微孔材料。
由于其特有的微孔结构和高比表面积，使其具有良好的吸附性能和电化学性能，被广泛应用于超级电容器的制备中。
碳纳米管是一种由碳元素构成的管状结构，具有很高的比表面积和优异的电化学性能。
研究发现，将碳纳米管作为超级电容器的电极材料，不仅能够提高储能效率，还能够提高超级电容器的循环寿命。
三、碳基材料在锂离子电池中的应用锂离子电池是一种高效储能电池，具有高能量密度、长循环寿命和低自放电等优点，目前已广泛应用于电动汽车、移动通信、笔记本电脑等领域。
碳基材料也是锂离子电池中必不可少的材料之一。
碳基材料作为锂离子电池的负极材料，具有很高的比表面积和优良的导电性能，可以提高锂离子电池的储能效率和循环寿命。
研究发现，将碳纳米管作为锂离子电池的负极材料，不仅能够提高电池的储能效率，还能够减少电池的容量衰减速度，从而提高电池的循环寿命。
四、碳基材料在柔性电子器件中的应用柔性电子器件是一种新型的电子器件，具有高韧性、高弹性和超薄柔性等特点，可以在柔性基底上灵活地制备各种形状的电子装置。
碳基纳米材料的能源应用
碳基纳米材料的能源应用碳基纳米材料是一类具有独特结构和性质的纳米材料，由碳元素构成，包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米片等。
这些材料具有优异的导电性、导热性、机械强度和化学稳定性，因此在能源领域具有广泛的应用前景。
本文将重点探讨碳基纳米材料在能源领域的应用，包括能源存储、能源转换和能源传输等方面。
一、能源存储1. 锂离子电池碳基纳米材料在锂离子电池中扮演着重要的角色。
以碳纳米管为例，其高比表面积和优异的导电性能使其成为理想的锂离子电池电极材料。
碳纳米管能够提高电极的充放电速率和循环稳定性，延长电池的使用寿命。
此外，石墨烯作为锂离子电池的导电剂和包覆材料，能够有效防止电极材料的体积膨胀，提高电池的安全性和循环稳定性。
2. 超级电容器碳基纳米材料还被广泛应用于超级电容器中。
碳纳米管和石墨烯具有高比表面积和优异的电导率，能够显著提高超级电容器的能量密度和功率密度。
此外，碳基纳米材料的高循环稳定性和长周期寿命也使其成为超级电容器的理想电极材料。
二、能源转换1. 太阳能电池碳基纳米材料在太阳能电池中的应用也备受关注。
石墨烯作为透明导电膜，能够提高太阳能电池的光电转换效率。
碳纳米管和碳纳米片作为光阳极材料，具有优异的光吸收性能和电导率，能够有效提高太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
2. 燃料电池碳基纳米材料在燃料电池中也具有重要应用。
碳纳米管和石墨烯作为催化剂支撑材料，能够提高燃料电池的催化活性和稳定性。
此外，碳基纳米材料还可以作为燃料电池的导电层和气体扩散层，提高燃料电池的整体性能。
三、能源传输碳基纳米材料在能源传输领域也有重要应用。
碳纳米管具有优异的导电性和导热性，能够用于制备高性能的导电线路和散热材料。
石墨烯作为柔性导电材料，可以用于制备柔性电子器件和柔性电缆，实现能源的高效传输和利用。
综上所述，碳基纳米材料在能源领域具有广泛的应用前景，包括能源存储、能源转换和能源传输等方面。
随着纳米技术的不断发展和碳基纳米材料性能的进一步优化，相信碳基纳米材料将在未来能源领域发挥越来越重要的作用，为能源可持续发展做出贡献。
碳纳米管在超级电容器中的应用-（准最终版）
碳纳米管在超级电容器中的应用研究现状及进展——战略中心调研课题2007年5月31日 调研的内容目录一、碳纳米管技术研究进展二、超级电容器的应用研究现状及进展三、超级电容器的工作原理四、超级电容器各种电极材料研究的进展及现状五、碳纳米管超级电容器的优缺点六、碳纳米管及其复合物作为超级电容器电极材料研究进展及现状七、超级电容器与电池的复合电源的研究进展、现状和应用八、碳纳米管超级电容器国内外研究机构简况九、碳纳米管超级电容器国内外专利情况一、碳纳米管技术研究进展过去的l5年见证了世界范围内碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)技术的高速发展。
从1991年Iijima发现碳纳米管结构以来，各国的研究机构在碳纳米管的合成、表征、应用等方面表现出浓厚的兴趣，并进行了卓有成效的探索。
碳纳米管可以看成是石墨薄片沿固定矢量(手性矢量Ch)方向卷曲而成的封闭管。
若令a1 和a2为石墨单胞基矢，则有Ch=ma1+na2，由此确定的m、n整数直接决定了碳纳米管的结构参数(直径和手性)。
根据(m，n)不同，即使是直径相近的碳纳米管也会由于手性不同而表现为不同的金属性或半导体性。
研究表明，当(m—n)可以被3整除时，碳纳米管将表现为金属性，对应子较宽的能带隙；反之，则将表现为半导体性，对应较窄的能带隙。
另一方面，即使同为半导体性的碳纳米管，直径的不同也会导致能带隙宽度的差异(成反比例)。
因此可以说，碳纳米管是具有无限多种可能的结构类型的碳“分子”，对应无限多种的物理性质。
图l(a)给出了碳纳米管的蜂巢结构，其中al、a2为基矢。
沿m，n整数为(8，8)、(8，O)、(10，-2)折叠石墨片层可分别获得扶椅型(armchair，图l(b))、之字型(zigzag，图l(c))、手性型(chiral，图l(d))碳纳米管。
按照管壁层数，碳纳米管叉可分为单壁碳纳米管(Single Wal1 Carbon Nanotubes，SWNTs)和多壁碳纳米管(Multiple Wall Carbon Nanotubes，MWNTs)。
碳纳米管在超级电容器中的应用与优化研究
碳纳米管在超级电容器中的应用与优化研究超级电容器作为一种新型储能设备，具有高能量密度、良好的快速充放电性能和长寿命等特点，在能源储存和供应系统中具有广泛的应用前景。
而碳纳米管作为一种特殊的碳材料，在超级电容器的应用中展现出了独特的优势和潜力。
本文将着重研究碳纳米管在超级电容器中的应用及其优化方法，并探讨其发展趋势。
首先，碳纳米管在超级电容器中的应用可以大大提升其性能。
由于碳纳米管具有优异的导电性能和大比表面积，可以提高超级电容器的能量存储密度和功率密度。
碳纳米管的导电性能优于传统的碳材料，因为其结构中的π键和sp2杂化轨道可形成电子的共轨道，从而实现高效的电子传输。
此外，碳纳米管的大比表面积可提供更多的活性表面，使得储存和释放电荷的速度更快，充放电效率更高。
其次，为了进一步优化碳纳米管在超级电容器中的应用，研究者们进行了许多相关的研究工作。
一种常见的优化方法是修改碳纳米管的表面性质，如通过化学修饰、功能化修饰等手段，改变碳纳米管的电子亲和性和离子亲和性，从而提升其电容性能。
此外，为了解决碳纳米管表面存在的强烈的水分子吸附问题，可以采用氧化改性的方式降低表面亲水性，并提高超级电容器的储能性能。
除了表面修饰外，碳纳米管的形貌和结构也是优化超级电容器性能的关键因素之一。
研究表明，具有较长和细小直径的碳纳米管更有利于电荷的储存和传输。
因此，通过调控炭纳米管的尺寸和形貌，可以实现电容性能的进一步提升。
例如，可以采用化学气相沉积法控制碳纳米管的大小和数量，并同时优化其结构，以增强材料的电荷储存能力。
此外，碳纳米管复合材料也是超级电容器优化研究的热点之一。
通过将碳纳米管与其他功能材料结合，如金属氧化物、导电高分子等，可以实现电容性能的协同增强。
这种复合材料不仅可以提高超级电容器的导电性和储能性能，还可以增加电容器的机械强度和耐久性。
例如，将碳纳米管掺杂进金属氧化物阳极材料中，可以增加电容器的比电容和能量密度。
碳纳米管 用途
碳纳米管用途
碳纳米管是一种纳米级的碳材料，具有许多独特的物理和化学性质，因此在许多领域有着广泛的应用。
以下是一些碳纳米管的常见用途：1. 纳米电子学：碳纳米管可以用作高性能的纳米电子器件的构建材料，例如晶体管、场效应晶体管、透明导电薄膜等。
2. 纳米材料增强：碳纳米管可以增强金属、聚合物等材料的力学性能，使其具有更高的强度和刚度。
这种增强效果使其在航空航天、汽车、建筑等领域有广泛应用。
3. 电池和超级电容器：碳纳米管可以用作电极材料，用于制造高能量密度和高功率密度的电池和超级电容器。
4. 催化剂载体：由于碳纳米管具有大比表面积和优良的导电性，因此可以用作催化剂的载体，用于催化反应中的催化剂固定和增加反应速率。
5. 生物医学应用：碳纳米管具有良好的生物相容性和荧光性能，可以用于生物成像、药物传递、组织工程等生物医学应用。
6. 传感器：碳纳米管可以用于制造高灵敏度的传感器，例如气体传感器、生物传感器等。
7. 纳米电缆：由于碳纳米管具有优秀的电导性能，可以用作纳米尺度的电缆，用于电子器件的互连。
总体而言，碳纳米管的应用潜力非常广泛，涵盖了电子学、材料科学、能源、生物医学等多个领域。
随着技术的进一步发展，碳纳米管的应用前景将不断拓展。
碳纳米管在超级电容器中的应用
为什么要研究超级电容器
3.研究意义 由于超级电容器具以上优点，近年来，它已经成为全球研究热点件刊。超 Text 级电容器可以用来与动力电池配合使用，充当大电流或能量缓冲区，减小 大电流充放电对电池的伤害，延长电池的使用寿命，同时能较好地通过再 生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中，提高能量利用率;另外也可 应用于其他系统中，如作为燃料电池的启动动力，做移动通讯和计算机的 电力支持等 Tt 特别是在电动汽车上的应用对提高其加速性能、瞬时启动、爬坡能力、 Text 吸收利用刹车和颠簸能量的作用几乎是无可替代的，美国、日本和俄罗斯 等国都先后投入大量人力、物力对超级电容器进行研究开发，有些公司的 产品已实现商业化。例如，美国能源部对电动车用超级电容器的开发已制 订了相应发展计划，远期目标为比功率达到1500W.kg-1，比能量达到 15W.h.kg-1。
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碳纳米管在超级电容器中的应用受到了广泛的关注。不同方法制备出的 碳纳米管由于微观结构、形态存在较大的差别， 再加上电极成型工艺、所 用电解液体系和测试方法等的不同， 电容性能差别很大。目前的研究多集 中在碳纳米管的制备方面， 针对其微观结构与电化学性能的关系等理论问 题的研究较少， 还缺乏清晰的认识， 今后应加强这方面的工作以指导碳纳 米管的制备和筛选。碳纳米管比表面积小， 比容量偏低。化学活化可以显 著提高其比表面积， 增大其比电容。将碳纳米管与准电容材料金属氧化物 或导电聚合物复合， 可以发挥各自的优势，弥补不足，并产生协同效应， 从而得到低成本、高性能的复合电极材料，将是今后发展的一个方向。 受成本和性能的制约，碳纳米管在超级电容器中的应用目前还处于实验 室阶段，随着碳纳米管低成本、批量化的制备技术的发展和其性能的提高， 有望在不久的将来走向产业化。
新型碳材料在能源领域中的应用
新型碳材料在能源领域中的应用近年来，随着全球能源需求的不断增长和对环境保护的要求日益严格，新型碳材料在能源领域中的应用备受关注。
碳材料具有独特的物理和化学性质，使其成为能源领域的理想选择。
本文将从三个方面探讨新型碳材料在能源领域中的应用：碳纳米管在电池技术中的应用、石墨烯在太阳能电池中的应用以及多孔碳材料在储能技术中的应用。
首先，碳纳米管作为一种新型碳材料，在电池技术中具有广泛的应用前景。
碳纳米管具有高导电性、高机械强度和良好的化学稳定性等特点，使其成为电池材料的理想选择。
例如，碳纳米管可以用作锂离子电池的电极材料，其高导电性和大比表面积可以增加电极的反应活性，提高电池的能量密度和循环寿命。
此外，碳纳米管还可以用于超级电容器的电极材料，其高比表面积和良好的电荷传输性能可以提高超级电容器的能量密度和功率密度。
其次，石墨烯作为一种二维碳材料，在太阳能电池中的应用也备受关注。
石墨烯具有高导电性、高透明性和优异的光吸收性能，使其成为太阳能电池的理想材料。
石墨烯可以用作太阳能电池的透明电极材料，其高透明性和高导电性可以提高太阳能电池的光吸收效率和电子传输效率。
此外，石墨烯还可以用于太阳能电池的光吸收层材料，其宽带光吸收和长寿命激子特性可以提高太阳能电池的光电转换效率。
最后，多孔碳材料作为一种新型储能材料，在储能技术中具有广泛的应用前景。
多孔碳材料具有高比表面积、良好的电导率和可调控的孔径结构等特点，使其成为储能材料的理想选择。
例如，多孔碳材料可以用作超级电容器的电极材料，其高比表面积和良好的电荷传输性能可以提高超级电容器的能量密度和功率密度。
此外，多孔碳材料还可以用于锂离子电池和燃料电池等储能设备的电极材料，其可调控的孔径结构可以提高电极材料的离子传输速率和储能能力。
综上所述，新型碳材料在能源领域中的应用具有广阔的前景。
碳纳米管、石墨烯和多孔碳材料作为代表性的新型碳材料，在电池技术和储能技术中发挥着重要的作用。
超级电容器炭电极材料的研究
超级电容器炭电极材料的研究一、本文概述随着全球能源需求的持续增长以及环境问题的日益严重，高效、环保的能源存储技术成为了科学研究的热点。
超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其高功率密度、快速充放电性能以及长循环寿命等优点，在电动汽车、智能电网、便携式电子设备等领域具有广泛的应用前景。
炭电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接决定了超级电容器的电化学性能。
因此，研究高性能的炭电极材料对于推动超级电容器技术的发展具有重要意义。
本文旨在探讨超级电容器炭电极材料的研究现状、发展趋势以及未来挑战。
我们将对超级电容器的基本原理和炭电极材料的分类进行简要介绍。
随后，重点分析不同类型炭电极材料的制备工艺、结构特征以及电化学性能，并对比其优缺点。
我们还将讨论炭电极材料在超级电容器应用中的实际问题，如循环稳定性、能量密度和功率密度等。
结合当前的研究热点和技术难点，展望超级电容器炭电极材料未来的发展方向，以期为相关领域的研究提供有益的参考和启示。
二、超级电容器炭电极材料概述超级电容器，作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命以及宽广的工作温度范围等优点，受到了广泛的关注和研究。
而炭材料，因其优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性以及低廉的成本，成为了超级电容器电极材料的理想选择。
炭电极材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
活性炭是最早被用于超级电容器的炭材料，其具有高比表面积和良好的孔结构，可以提供大量的电荷存储位置。
碳纳米管因其独特的一维结构和优异的电子传输性能，成为了超级电容器电极材料的研究热点。
石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，因其超高的比表面积、良好的导电性和化学稳定性，被认为是超级电容器炭电极材料的未来之星。
在超级电容器炭电极材料的研究中，如何提高其比表面积、优化孔结构、改善导电性能以及提高电化学稳定性是研究的重点。
通过物理或化学活化方法，可以增大活性炭的比表面积并改善其孔结构，从而提高其电荷存储能力。
碳纳米管在双电层超级电容器中的应用研究
碳纳米管在双电层超级电容器中的应用研究引言碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）是一种由碳原子形成的纳米级管状结构，具有极高的比表面积、优异的导电特性以及卓越的力学性能。
这些特点使得碳纳米管在能源存储领域，尤其是在双电层超级电容器中，具有广泛的应用前景。
本文将对碳纳米管在双电层超级电容器中的应用研究进行探讨。
一、双电层超级电容器的简介双电层超级电容器是一种能够以电荷分离和积累为基础，将电能以化学形式暂存的高能量储存设备。
它由两个电极—正极和负极，以及介质隔离层组成。
双电层超级电容器相较于传统电化学储能设备（如锂电池），具有充放电速度快、循环寿命长、高功率密度等优点。
然而，在目前的技术水平下，其能量密度仍然较低，无法满足某些应用场景的需求。
二、碳纳米管在双电层超级电容器中的应用1. 提高电极比表面积碳纳米管具有极高的比表面积，通常可达到1000 m²/g以上。
这使得碳纳米管能够提供更多的活性表面，提高电极的电荷储存容量。
此外，由于碳纳米管的导电性能优异，可以提高电极的导电速率，实现更快的充放电速度。
2. 提高电极的电荷分离和传递能力碳纳米管具有优异的电子传导性能和离子传输性能，这使得其能够更高效地实现电荷的分离和传递。
尤其是碳纳米管的孔径结构和微观形貌，能够促进电荷在电极材料中的迁移和扩散，提高电极的电荷分离和传递能力，从而增强电极的储能性能。
3. 减小电极材料的电阻损耗碳纳米管具有优异的导电性能，可以降低电极材料的内阻，进而降低电极材料在充放电过程中的电阻损耗。
这有助于提高电极材料的充放电效率，并获得更高的电荷储存容量。
4. 提高电极材料的稳定性和循环寿命由于碳纳米管具有优异的力学性能和化学稳定性，它们在双电层超级电容器中作为电极材料可以提高设备的稳定性和循环寿命。
碳纳米管的高强度使其能够避免电极材料的损伤和结构破坏，延长设备的使用寿命。
三、碳纳米管在双电层超级电容器中的研究进展目前，已经有许多研究致力于改进碳纳米管在双电层超级电容器中的应用，并取得了一些重要的研究成果。
碳纳米管技术的发展现状及应用前景分析
碳纳米管技术的发展现状及应用前景分析随着科技的不断发展，碳纳米管技术（Carbon Nanotubes Technology）作为一种新型纳米材料，其在电子、能源、材料、生物等领域都有着广阔的应用前景。
本文将就其发展现状和应用前景进行探讨。
1. 碳纳米管技术的概述碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，比铅笔芯细100倍，长约200-300微米。
由于碳纳米管的高比表面积、高强度和导电性能，使得它在科技领域得到了广泛的关注。
同时碳纳米管凭借其与钻石平分子结构的相似性，其在材料学、电子学、化学、物理学等领域都有广泛的应用。
2. 碳纳米管技术在电子领域的应用碳纳米管技术在电子领域的应用是最为广泛和深入的一个方向，它可以替代硅上面的电路。
作为一种理想的导电材料，有着很高的导电性，具有低温系数和稳定的电流密度等优点，被认为是下一代电子材料中最重要的一个。
同时，碳纳米管技术还可以制造更高效的半导体芯片，这将极大地推动芯片技术进一步提升，以及为新一代电脑、手机设备等提供更好的性能，更低的能耗和更小的面积。
3. 碳纳米管技术在能源领域的应用碳纳米管在能源领域的应用主要是利用其高导电和高效电化学反应的特性来制造更高效和便携的储能设备。
目前碳纳米管技术在锂离子电池和超级电容器领域得到了广泛的应用。
例如，碳纳米管电极在电池中的使用，既可以改善电化学反应速度，增加电池存储能量密度，又可以将它应用在电解液和界面层。
4. 碳纳米管技术在材料领域的应用碳纳米管具有高强度、高韧性、高模量等优异性能，使它适用于复杂材料和结构的构造。
因此，碳纳米管在材料领域的应用非常广泛，它可以用于制造高强度的纤维，增强陶瓷、塑料和复合材料的韧性和强度，还可以用于制造防弹衣、航空材料等。
5. 碳纳米管技术在生物领域的应用在生物领域，碳纳米管也被广泛应用于医疗和生命科学领域。
它可以做为制药和诊断试剂使用，并且可以在生物组织中轻松地渗透和输送（携带）药物，这使得医疗领域可以更好的控制药物的药效和药代谢，达到更好的治疗效果。
碳纳米管超级电容器的研究进展
收稿日期:20082032313基金项目:国家自然科学基金(50372013);高等学校博士学科点专项科研基金(20050562002);广东省自然科学基金(07001769)作者简介:陈列春(1976—),男,广西扶绥人,硕士研究生.第2卷 第3期材 料 研 究 与 应 用Vo1.2,No.32008年9月MA TERIAL S RESEARCH AND APPL ICA TIONSept .2008文章编号:167329981(2008)0320169204碳纳米管超级电容器的研究进展3陈列春,张海燕,贺春华,谢 慰(广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006)摘 要:综述了碳纳米管超级电容器的研究进展,并介绍了采用碳纳米管作为超级电容器电极材料的优缺点及制备高性能碳纳米管超级电容器的方法.关键词:碳纳米管;超级电容器;电极材料中图分类号:TB383 文献标识码:A超级电容器(Supercapacitor )也叫电化学电容器[1],作为一种新型储能装置,它具有比容量高、比功率高及循环寿命长等优点,可作为无污染的小型后备电源用于多种电器设备中,同时它可与电池共同组成复合电源为电动车提供动力,近年来其研究受到广泛地关注并得到快速地发展[226].碳纳米管的管径一般为几纳米到几十纳米,长度在几微米至几十微米,其比表面积大、导电性好,是超级电容器的理想电极材料.1 碳纳米管作为超级电容器的电极材料王晓峰等人[7]以NiO/(SiO 2,Al 2O 3)为催化剂,C 3H 6为碳源气体,采用催化裂解法制备了多壁碳纳米管材料,以泡沫镍为基体制备成电极,将20对该电极与无纺布隔膜一次叠加后制成电容器的内芯,并放入有1mol/L LiClO 4PC 有机电解液的不锈钢内壳中,组装成碳纳米管超级电容器.实验结果表明,在20A 充放电流条件下,70s 内电压从2.5V 下降到0;该超级电容器的电容量为600F ,内阻为2.5m Ω,其比功率和比能量分别为1kW/kg 和0.8W ・h/kg ,即使在100A 的充放电流条件下,超级电容器的电容量和比能量仍然达到570F 和0.76W ・h/kg.何春建等人[8]将0.5mm 厚的铝片经除油、化学抛光后,在0.3mol/L 的草酸溶液中用恒电流法进行电化学氧化,再用HgCl 2去除未氧化的铝基底,在50℃条件下用10%的碳酸钠去除多空氧化铝的阻挡层,负载硝酸铁后放入管式炉中,通入体积比为1ζ4的H 2和Ar 还原保护气.以C 2H 2为碳源,先在500℃下保温6h ,再在700℃条件下保温15h ,然后降至室温,最后得到沉积在多孔氧化铝模板中的有序碳纳米管阵列.将该阵列作为碳纳米管超级电容器的电极,组装成碳纳米管超级电容器.电容器的电容量为687F/m 2,比一般双电层碳电极电容器的电容量0.2F/m 2大3435倍,说明用于超级电容器中的碳纳米管阵列电极具有非常优异的性能.K.J urewicz 等人[9]将KO H 和多壁碳纳米管按质量比4ζ1的比例混合,在800℃的高温下对碳纳米管进行90min 的活化处理.结果显示,在7mol/L KO H 电解液中,未经活化的多壁碳纳米管超级电容器的比容量为4F/g ,而活化后的碳纳米管超级电容器则达到49F/g.在氨水和空气体积比为1ζ3的条件下,将未活化和活化后的碳纳米管分别进行氨水氧化处理.实验结果表明,前者的比容量升高到40F/g ,后者的比容量升高到58F/g.这说明对碳纳米管进行活化及氨水氧化处理后,碳纳米管上的官能团增加,有利于提高碳纳米管超级电容器的比容量.J.H.Chen等人[10]采用CVD技术,以Ni为催化剂,直接通过石墨形态进行生长,得到管径为50 nm的碳纳米管.经过循环伏安测试,在循环扫描速率为100mV/s时,超级电容器的比容量达到115.7 F/g,表现出典型的双电层电容器的特性.张建宇等人[11]采用化学气相沉积法制备碳纳米管,在温度约为700℃时进行催化裂解反应,反应气体为乙炔气体,保护气为氢气,含有Fe,Co及Ni 金属氧化物的催化剂均匀地附着在Al2O3及SiO2纳米颗粒载体上.制作好的碳纳米管电极和质量分数为38%的硫酸电解液组装成双电层电容器,在25 mA的恒流充放电条件下,电容器的比容量约为21 F/g,等效内阻约为2Ω.陈人杰等人[12]以Ni为催化剂,通过高温催化裂解C2H2/H2混合气体,制备出碳纳米管,并制成薄膜电极,以二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂21,32氮氧杂环戊222酮熔盐为电解液,组装成模拟电容器.在1 mV/s的扫描速率下,电容器表现为典型的双电层电容特性;在电位0～2.0V范围内用4A/m2的电流密度对模拟电容器进行恒流充放电,其比容量达到20.5F/g,经过500次循环充放电后,容量损失小于5%.马志仁等人[13]用高温催化裂解C2H4/H2混合气体制得碳纳米管,并经质量分数为20%的硝酸纯化处理,去除金属催化剂,然后在25M Pa及2000℃、氩气保护的条件下,将碳纳米管热压成型,做成固体电极,组装成超级电容器.该热压电极电容器的体积比电容量为78.1F/cm3,漏电电流小于0.6 mA,等效串联电阻约2.75Ω.江奇等人[14]将催化裂解法制备的碳纳米管经硝酸纯化去除杂质后与KO H按质量比1ζ4混合,经研磨后置于陶瓷管中加热,在温度850℃下,通氮气并保温1h.采用活化前后的碳纳米管作为电极材料,质量分数10%的乙炔黑做导电剂,质量分数5%的聚偏氟乙烯(PVDF)做粘结剂,电解液为1mol/L LiClO4/EC+D EC,其中V(EC)ζV(DEC)=1ζ1.测试结果表明,碳纳米管比表面积由活化前的19411m2/g增加到510.5m2/g,孔容也由原来的0.660cm3/g增加到0.911cm3/g;在0.2mA恒流充放电条件下,电容器的比容量从活化前的25.0 F/g提高到50.0F/g.这说明增加碳纳米管的比表面积和孔容,有利于提高碳纳米管超级电容器的比容量.梁逵等人[15]研究了以碳纳米管作为电极材料的超级电容器的频率响应特性.在TEAB F4/PC电解液中,在0.1～1×105Hz的频率范围内,当频率低于0.25Hz时电容器的阻抗曲线出现明显的“电荷饱和”,当频率较高时同一个电容器的电容量远小于频率较低时的电容量.这表明碳纳米管超级电容器的电解质离子在多孔电极中较难扩散,所以频率响应相对于传统的纸介电容器、电解电容器要差很多.E.Frackwiak等人[16]考察了用烃类催化分解法制得的三种不同碳纳米管用作超级电容器电极时的性能.按m(碳纳米管)ζm(乙炔黑)ζm(聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂)=85ζ5ζ10进行混合,并将混合物压制成极片,所制得的碳纳米管电极的比电容量4～80F/g.K.H.An等人[17]研究了采用电弧法合成的单壁纳米碳管用作超级电容器电极时的行为,分析了粘结剂、炭化温度、充电时间及放电电流密度等因素对其电化学行为的影响.他们将纯度为20%～30%的束状单壁纳米碳管同质量分数为30%的聚偏二氯乙烯(PVDF)混合,在6.9M Pa压力下模压制成电极,在500～1000℃、氩气保护下处理30min,用镍箔做集电极,以7.5mol/L KO H为电解液,装配成电容器.该电容器的比容量达180F/g,功率密度和能量密度分别为20kW/kg和6.5～7W・h/kg.王贵欣等人[18]采用5种均由催化裂解法制备、经过相同条件纯化处理(纯度在95%以上)的多壁碳纳米管作为超级电容器的电极材料,以溶解在乙烯碳酸酯(EC)和二乙基碳酸酯(DEC)(二者质量比为1ζ1)中的1mol/L LiClO4为电解液,考察了比表面积和孔结构对超级电容器比容量的影响.结果发现,当碳纳米管比表面积为118.80m2/g时,超级电容器的比容量仅为15.86F/g;当比表面积增大到476.10m2/g时,比容量相应地增加到54.80 F/g.研究表明,多壁碳纳米管的比容量与孔径为3 nm以上孔的比表面积有很好的线性关系.本文作者对碳纳米管进行了硝酸回流改性处理,将其用作超级电容器的电极材料.由图1可见,未做回流处理前,碳纳米管的帽端是封闭的,并且含有催化剂,经过质量分数为68%的硝酸回流80h 后,碳纳米管的帽端被打开,且催化剂被去除.这有071材 料 研 究 与 应 用2008利于电解液中的离子进入碳纳米管内腔,使碳纳米管的内部表面得到了充分利用,从而形成更大的双电层,有利于碳纳米管超级电容器的比容量提高.图1 碳纳米管TEM 照片(a )改性处理前;(b )改性处理后Fig 11 TEM image of carbon nanotubes (a )before modifications ;(b )after modifications将硝酸回流改性前后的碳纳米管做成电极,以1mol/L Na 2SO 4为电解液,组装成CR2032型钮扣式超级电容器,并对其进行恒流充放电测试.由图2可见,充放电曲线呈对称性分布.这表明,制备的碳纳米管超级电容器具有理想的电容特性.通过比容量的计算公式,可计算出改性前及改性后的碳纳米管超级电容器比容量分别为5.1F/g 和40.1F/g.图2 碳纳米管超级电容器充放电曲线Fig.2 Charge 2discharge curves of CN Ts supercapacitors2 结 语超级电容器已经越来越受到人们的关注,利用碳纳米管作为超级电容器的电极材料必将成为研究人员探索和研究的热门课题.要获得高性能、大比电容量的碳纳米管超级电容器,关键因素是开发出具有高比表面积及富含官能团的碳纳米管.所以,对初步制备的碳纳米管,可以考虑对其进行活化处理、酸(硝酸、硫酸等)回流处理、氨水氧化等处理方式,然后再将处理后的碳纳米管应用于超级电容器.如何研制出具有实用前景的纳米碳管超级电容器,将是一项重要的工作.参考文献:[1]CONWA Y B E.Transition f rom ‘supercapacitor ’to‘battery ’behavior in electrochemical energy storage[J ].Journal of Electrochemical Society ,1991,138(6):153921548.[2]刘政,毛卫民.碳纳米管及其在汽车中的应用前景[J ].金属功能材料,2005,12(4):39243.[3]张治安,邓梅根,胡永达,等.电化学电容器的特点及应用[J ].电子元件及材料,2003,22(11):125.[4]B EC KER H L.Low voltage electrolytic capacitor :USA ,2800616[P].1957207223.[5]BU R KE A.Ultracapacitors :why how and where is thetechnology[J ].J Power Sources ,2000,91:37250.[6]GAMB Y J ,TAB ERNA P L ,SIMON P ,et al.Studiesand characterisations of various activated carbons used for carbon/carbon supercapacitors [J ].Journal of Power Sources ,2001,101(1):1092116.[7]王晓峰.碳纳米管超级电容器的研制和应用[J ].电源技术,2005,29(1):27230.[8]何春建,薛宽宏,陈巧玲,等.多壁碳纳米管阵列电极的循环伏安行为[J ].化学研究,2003,15(5):6282629.[9]J U REWICZ K ,BAB EL K ,PIETRZA K R ,et al.Capaci 2tance properties of multi 2walled carbon nanotubes modi 2fied by activation and ammoxidation [J ].Carbon ,2006(44):236822375.[10]CH EN J H ,L I W Z ,WAN G D Z ,et al.Electrochemicalcharacterization of carbon nanotubes as electrode in electrochemical double 2layer capacitors [J ].Carbon ,2002(40):119321197.[11]张建宇,曾效舒,蔡结松.基于碳纳米管的双电层电容器[J ].南昌大学学报:工科版,2002,24(3):14215.[12]陈人杰,吴锋,徐斌,等.室温熔盐在碳纳米管电化学电容器中的应用[J ].电子元件与材料,2007,26(4):11214.[13]马仁志,魏秉庆,徐才录,等.基于碳纳米管的超级电容器[J ].中国科学:E 辑,2004,30(2):11221165.[14]江奇,卢晓英,赵勇,等.碳纳米管微结构的改变对其容量性能的影响[J ].物理化学学报,2004,20(5):171第2卷 第3期陈列春,等:碳纳米管超级电容器的研究进展5462549.[15]梁逵,陈艾,叶芝祥.碳纳米管与活性炭超级离子电容器的频率响应[J].功能材料与器件学报,2002,8(2): 1832186.[16]FRAC KOWIA KA E,M ETEN IER K,B ERTA GNA V,et al.Supercapacitor electrodes f rom multiwalled carbon nanotubes[J].Appl Phys Lett,2000,77(15): 242122423.[17]AN K H,J EON K K,H EO J K,et al.High2capacitancesupercapacitor using a nanocomposite electrode of sin2 gle2walled carbon nanotube and polypyrrole[J].J Elec2 trochem Soc,2002,149(8):A10582A1062.[18]王贵欣,矍美臻,周固民,等.一种估算多壁碳纳米管电化学容量的方法[J].无机化学学报,2004,20(4): 3692372.Progress in research on carbon nanotubes electrode materials in supercapacitorsCH EN Lie2chun,ZHAN G Hai2yan,H E Chun2hua,XIE Wei(Facult y of M aterial and Energy,Guang dong Universit y of Technology,Guangz hou510006,China)Abstract:In t his paper,an overall review on t he p rogress in t he research of carbon nanot ubes supercapaci2 tors is p resented.The advantages and disadvantages of carbo n nanot ubes as elect rode materials of superca2 pacitors are discussed.The met hods of producing carbon nanot ubes supercapacitors wit h high specific ca2 pacitance are also int roduced.K ey w ords:carbon nanot ubes;supercapacitors;electrode material271材 料 研 究 与 应 用2008。
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碳纳米管在超级电容器中的应用
凝聚态物理 徐娇
Contents
1 2 3 4 什么是超级电容器
为什么要研究超级电容器
为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的 电极材料？ 目前碳纳米管制作电极材料有哪些方向？
什么是超级电容器
1.超级电容器（ Supercapacitor ）
“超级电容器”一词源自于二十世纪六十年代末日本NEC公 司生产的电容器产品“SUPER一CAPACITOR”，它泛指具有很 高功率和高能量密度的电容器。所谓“超级电容器器”本质 上是根据电化学原理设计、制造出来的，因此它又被称为电 化学电容器(Eleetro一chemicalcapatiors，Ec)。
多孔碳材料 1.活性炭 2.活性炭纤维 3.碳纳米管 etc......
1.金属氧化物电极材料 如：RuO2、NiO、 CoO等 2.导电聚合物电极材料 如：PPY、PTH、PVN
为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的极材料？ 2.碳纳米管（ CNT ） 由石墨原子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿 同轴层层套构而成的管状物。其直径一般在一到几十个纳 Text 米之间，长度则远大于其直径。 t Concept Text Text
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碳纳米管在超级电容器中的应用受到了广泛的关注。不同方法制备出的 碳纳米管由于微观结构、形态存在较大的差别， 再加上电极成型工艺、所 用电解液体系和测试方法等的不同， 电容性能差别很大。目前的研究多集 中在碳纳米管的制备方面， 针对其微观结构与电化学性能的关系等理论问 题的研究较少， 还缺乏清晰的认识， 今后应加强这方面的工作以指导碳纳 米管的制备和筛选。碳纳米管比表面积小， 比容量偏低。化学活化可以显 著提高其比表面积， 增大其比电容。将碳纳米管与准电容材料金属氧化物 或导电聚合物复合， 可以发挥各自的优势，弥补不足，并产生协同效应， 从而得到低成本、高性能的复合电极材料，将是今后发展的一个方向。 受成本和性能的制约，碳纳米管在超级电容器中的应用目前还处于实验 室阶段，随着碳纳米管低成本、批量化的制备技术的发展和其性能的提高， 有望在不久的将来走向产业化。
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为什么要研究超级电容器
2.超级电容器特点 Text (1)比功率高(能够提供几百W·kg-1到几千W·kg-1的功率度); (2)大电流快速充电特性好; (3)电压与容量的模块化; (4)使用温度范围宽，为一40℃——+70℃; Tt (5)循环使用寿命长，可达10万次; (6)无污染，真正免维护; Text (7)价格低; (8)不需冷却及其它附属设备; (9)可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放 电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A; Tex (10)可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压措施后， 还可串联使用
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的极材料？
3.结构与性能
中空结构，纳米尺寸 碳原子sp2杂化 部分碳sp3杂化Text
Text 巨大的比表面积 高模量、高强度 Text
Co优良的导电性ncept Text
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目前碳纳米管制作电极材料有哪些方向 CNT超级电容器的几大发展方向
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为什么要选用碳纳米管作为超级电容器的极材料？ 1.超级电容器的改进
双电层电容原理 提高电极材料比表面积和 Text 孔利用率，从而增大比电 容，比能也就增大了。 Text Text 提 高 性 能 Concept 方 法 赝电容原理 提高电极材料可逆法拉第反 应的几率，从而增加比能。 Text Text Text
直接用CNT制作电极材料 单壁CNT、多壁CNT等等。 用活化后的CNT制作电极材料 用HNO3、CO2、空气等活化CNT，增大其比表面积，从而增大其比容量， 并改善其循环使用性能。 CNT与金属氧化物复合制作电极材料 与过度金属氧化物（RuO2、NiO2、MnO2等）复合，当过渡金属氧化 物与复合后，过渡氧化物电极上可发生快速可逆的电极反应，同时CNT具 有大比表面积的网状结构和CNT良好的导电性使电子传递更能进入到电极 内部，使能量存储于三维空间中，最终提高了电极的比电容和能量密度。 CNT与导电聚合物复合制作电极材料 将导电聚合物（PPY、PAN、PANI等）包覆于碳纳米管上， 使二者优 势互补，复合电极材料具有优于导电聚合物的导电性和循环性能， 而比 容量也较碳纳米管有了大幅提高。 CNT与石墨烯复合制作电极材料
什么是超级电容器 2.基本原 理
双 电 层 电 容
双电层电容是在电极/ 溶液界面通过电子或 离子的定向排列造成 电荷的对峙所产生的。 对一个电极/溶液系， 会在电子导电的电极 和离子导电的电解质 溶液界面上形成双电 层。
什么是超级电容器
法拉第赝电容是在电极表面 或体相中的二维或准二维空 间上，电极活性物质进行欠 电位沉积，发生高度可逆的 化学吸附脱附或氧化还原反 应，产生与电极充电电位有 关的电容。对于法拉第准电 容，其储存电荷的过程不仅 包括双电层上的存储，而且 包括电解液中离子在电极活 性物质中由于氧化还原反应 而将电荷储存于电极中。
为什么要研究超级电容器
3.研究意义 由于超级电容器具以上优点，近年来，它已经成为全球研究热点件刊。超 Text 级电容器可以用来与动力电池配合使用，充当大电流或能量缓冲区，减小 大电流充放电对电池的伤害，延长电池的使用寿命，同时能较好地通过再 生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中，提高能量利用率;另外也可 应用于其他系统中，如作为燃料电池的启动动力，做移动通讯和计算机的 电力支持等 Tt 特别是在电动汽车上的应用对提高其加速性能、瞬时启动、爬坡能力、 Text 吸收利用刹车和颠簸能量的作用几乎是无可替代的，美国、日本和俄罗斯 等国都先后投入大量人力、物力对超级电容器进行研究开发，有些公司的 产品已实现商业化。例如，美国能源部对电动车用超级电容器的开发已制 订了相应发展计划，远期目标为比功率达到1500W.kg-1，比能量达到 15W.h.kg-1。
法 拉 第 赝 电 容
为什么要研究超级电容器
1.超级电容器与电池性能比较
Text 性能 放电时间/s 充电时间/s 能量密度/W·h·kg功率密度/W·kg- 1 充放电效率 循环寿命/次 电容器 超级电容器 电池 10- 6 ~ 10- 3 1~ 30 1080~ 10800 10- 6 ~ 10- 3 1~ 30 3600~ 18000 Tt 1~ 10 < 0. 1 20~ 100 > 10000 1000~ 2000 50~ 200 Text ~1. 0 0. 90~ 0.95 0. 70~ 0. 85 无限次 > 100， 000 500~ 2000