活性炭在超级电容器中应用1

背景
背景
8吨混合动卡车减少 燃料消耗50％，氮氧 化物排放44％，微粒 排放65％。可行驶60 万公里，10年寿命。
15吨天然气发动机－超 级电容器串联混合动力 Bus。能量效率是纯CNG
汽 车的2.66倍。
化学电容器的组装与产品
ECUST
ECUST
ECUST
背景
我国工业化超级电容器样品
1.0～4.7F 0.047～0.47F
背景
中介产品，弥补电池与电容不足 应用范围宽，规格品种多，市场大于电池
节能 环保
和谐社会
背景
可持续发展
双电层
化学电容器基本原理
ECUST
化学电容器基本原理
氧ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ物
化学电容器基本原理
导电聚合物
影响电化学电容器性能的因素
• 电极材料 • 电解质
分解电压、离子直径、导电性 水溶液、有机溶液、凝胶高分子电解质 • 内阻
背景
电子装置 电动玩具 汽车音响
出租车计程器
打卡机 光盘刻读机 充电式数字万用表
有线电视 电梯 系统板
可编程控制器 太阳能驱动装置 卫星电视接收机
使用目的
作为起动电源或补充电源
更换蓄电池时,数字调谐器的备用电源。汽车启动时,稳定电 路电压
在更换电池或修理计程器时,计程器数和累加累用存储信息的 支持电源
背景
电子装置
使用目的
推荐规格
智能燃气表
保持存储器数据和电磁阀开闭的备用电源
0.47～1.0F
复费率电度表
时钟及存储器数据保持的备用电源
0.022～1.0F
多功能电话机 掉电期间缩位和重拔.、重播存储器信息的备用电源 0.22～1.0F
数字应答机
掉电期间语音存储器的备用电源
0.47～2.2F
卡式电话
电话摘机时放出大电流,维持良好使用状态
0.1～1.0F
移动电话传呼机 更换电池期间保持存储器信息
0.02～0.22F
家庭影院
预调谐器的备用电源,停机或掉电时保持音量，（声频 0.47～1.0F 系统）VCD 位置状态
摄录一体机
瞬间掉电或暂时关闭电源时，保持颜色平衡存储器的 0.022～0.47F 内容
背景
Kötz and M. Carlen, Electrochimca Acta, 45, 2483, (2000)
背景
电化学电容器与电池、常规电容器的比较
放置
ECUST
电化学电容器与电池的比较 ECUST
电化学电容器与电池的比较
背景
ECUST
背景
使用超级电容器和燃料电池的本田汽车 2002年进入美国日本市场
表面官能团（润湿性、赝电容）
电化学电容器对多孔炭材料的要求
• 导电性 50％ Pmi=V2oc/4Rb Pef/=EF(1-EF) V2oc/4Rb 若，EF=0.95, Pef/Pmi=0.19
• 密度 F/g • 其它
研究的目的
电化学性能良好的多孔炭材料
• 比表面积大 • 孔结构可控或基本可控 • 官能团的可选择性 • 良好的导电性能
多孔炭 根据双电层原理，电极表面的双电层
电容约为20μF/cm2。若采用比表面积 为1000cm2/g的活性炭做电极材料，可 获得的比容量为200F/g
碳
ECUST
多孔炭材料
• 活性炭 Activated Carbon AC • 活性炭纤维 Activated Carbon Fiber ACF • 炭气凝胶 Carbon Gel • 泡沫炭 Carbon Foam • 炭纳米管 Carbon Nanotube CNT • 玻璃炭 Carbon Glass
Activated carbon fiber
Carbon Nanotube
多孔炭材料
ECUST
电化学电容器对多孔炭材料的要求
Q=1/2CV E=QV=1/2CV2
表面积
电化学电容器对多孔炭材料的要求
孔结构（孔径、形状）
电化学电容器对多孔炭材料的要求
孔结构
电化学电容器对多孔炭材料的要求
赝电容 表面润湿性 位阻效应 稳定性
电极、电解质、界面等
电化学电容器电极材料
过渡金属氧化物 优势 ： 比电容高 α-RuO2 ·nH2O可达698F/g 不足： 比表面积 钌的价格
电化学电容器电极材料
导电聚合物 优势：
有良好性、内阻小、比容量大 如：聚苯胺(PANI) 1000F/g、聚吡咯和聚噻吩335F/g
不足：
稳定性
电化学电容器电极材料
研究思路
合成工艺 前驱体
结构
性能
研究思路
结 构
研究思路
ECUST
研究思路—原料选择
前驱体的选择
– 能够形成乱层结构 – 材料来源广 – 价格低 – 无污染
研究思路—原料选择
树脂
组成稳定 灰分小 价格较高 研究较多
煤
组成不稳定 灰分高 价格低 研究少
智能洗衣机，冰箱 保护设定数据不丢失
0.047～1.0F
电饭锅，微波炉 停电时,计时器的备用电源
0.022～0.22F
照相机
更换电池存储器的备用电源,闪光灯充电时稳定电路 0.022～1.0F 电压
电子记事本
更换电池期间保持存储器信息
0.022～1.0F
打字机
瞬间掉电和更换电池时存储器的备用电源
0.47～1.0F
掉电后数据存储保护并且能够维持操作(取出正在使用中的 信用卡)
在瞬间掉电或暂关电源时保护存储内容不丢失
替代电池使用后作为电源
推荐规格 1.0～4.7F 0.47～1.0F
0.1～0.47F
0.47～2.2F 0.1～1.0F 0.47—2.2F
DTS、IC的备用电源，可保证掉电期间其存储的电视频道， 计时器记录及时钟内容不丢失
电化学电容器电极材料 的制备与性能
提纲
• 背景 • 电化学电容器基本原理 • 电化学电容器的应用 • 炭材料电极 • 研究进展
背景
电化学超级电容器（Electrochemical Supercapacitor ESC） 是近年来出现的一种新型能源器件，与常规
电容器不同，其容量可达法拉级甚至数千法拉， 因此享有“超级电容器”之称。它兼有常规电容 器功率密度大、充电电池能量密度高的优点，可 快速充放电，而且寿命长，是一种新型、高效、 实用的能量储存装置。
0.047～0.1F
存储记忆设定的数据
0.47～4.7F
更换电源电压波动期间，作为装用CMOS微处理器、 DRAM的PC板的备用电源
SRAM、 0.047～1.0F
更换电池时存储器的备用电源（电池备用电源支持系统）， 掉电期间作为存储器备用电源（电容备用电源支持系统）
0.047～2.2F
无光照系统的工作电源 频道存储器的备用电源