碳纳米管在超级电容器中的应用

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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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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)。
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
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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？
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
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
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。
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
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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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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
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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