纳米碳材料改善电化学电容器性能研究
纳米碳材料改善电化学电容器性能研究!
苏岳锋.!#!吴"锋.!#!赵淑红.!#!陈"实.!#!包丽颖.!#
!.D北京理工大学化工与环境学院"北京.(((2.##D国家高技术绿色材料发展中心"北京.(((2.$
摘"要!"通过在双电层电化学电容器的活性炭电极中添加纳米结构炭黑"碳纳米管等新型电子导体的方法!扩大电子导体与活性物质的有效接触面积!增大活性物质具有电化学反应活性的表面!从而提高电极的导电性能与容量性质!改善电化学电容器的充放电性能#实验结果表明新型的纳米碳材料可赋予电极良好的导电性能!优于常用的导电石墨"炭黑等电子导体!是较为理想的电化学电容器用电极导电剂#
关键词!"电化学电容器"活性炭"电子导体"纳米碳材料
中图分类号!"*$1)"*$0..""""文献标识码!-
文章编号!.((./0+).##((,$(#/(.22/(,
."引"言
电化学电容器也称超级电容器"是近几年发展起来的一种介于传统电容器和二次电池之间的新型电能存储装置%.&’它具有优良的脉冲充放电性能及传统物理电容所不具有的高存储性能!容量为传统电容器的#(!#((倍$"其功率密度(循环寿命(快速充放电性能(充放电效率及安全稳定性能等都优于一般二次电池!功率密度可为二次电池的.(倍以上$’但与二次电池相比"电化学电容器的能量密度偏低%#&’因此"如果将二次电池(燃料电池等与电化学电容器结合"有可能组合成一种高比能量(高比功率的复合动力电源系统%)!1&’美国(日本(法国(俄罗斯等国家已经研制出高性能的电化学电容器"与二次电池(燃料电池联用组成电动汽车动力能源系统"用于整车实验效果良好’电化学电容器提供的电流可满足电动车启动(加速和爬坡所需的功率要求#在正常行驶时由二次电池(燃料电池等基本能源向电化学电容器充电"在刹车时电化学电容器能够快速储存发电机产生的瞬间大电流’电化学电容器的这些特性可以有效降低电动车辆对二次电池(燃料电池高功率放电的要求"作为一种理想的功率补偿器件"它可以起到延长二次电池循环使用寿命的作用’它的出现恰好填补了传统物理电容器与二次电池之间的能量存储技术的空白’
电化学电容器根据储能机理的不同"可分为双电层电容器和法拉第准电容电容器’双电层电容器的作用原理%
条件下的充放电性能’电极的内阻主要由电解液离子扩散阻力和电极材料之间(电极与集流体之间的接触阻抗构成"所以根据电极活性材料的物理化学性能"选择添加合适的电子导体"与活性材料一起制成具有较低内阻的复合电极"这对改善电化学电容器的充放电性能有较高的实用价值’双电层电化学电容器常用的高比表面多孔活性炭材料因结晶性较差"导电性不良"对电极电子传输影响较大"因而电子导体的引入对改善活性炭电极的导电性能显得更为重要’
本文根据高比表面积活性炭材料孔隙率较高(结晶性较差(电导率偏低"在高电位下自放电现象较重的特点"研究了在该材料中添加各类新型电子导体!如纳米碳材料及中间相碳微球等$对改善双电层电容器充放电性能的影响"并与常用电子导体进行比较"实验结果证实新型的具有纳米尺寸的碳材料可有效改善电极导电性能"增大活性炭材料具有电化学活性的表面"是双电层电化学电容器用较为理想的电极导电剂’
#"实"验
#D."实验仪器及设备
b&n&$?J4;#2)恒电位*恒电流仪及$?J4;1#.(锁相放大器"透射电子显微镜"扫描隧道电子显微镜"国产二次电池性能检测装置及电池测试系统等’
#D#"原料
高比表面活性炭粉末!比表面积约#(((U#*T$"导电石墨"炭黑"纳米结构炭黑!!V X$"碳纳米管!V!*$"中间相碳微球!$V$X$"镍粉"<(E!质量分数$聚四氟乙烯乳液等’
#D)"电极制备
将活性炭(导电剂及粘结剂以一定重量比混合"加乙醇充分搅拌并成膏状’放置于真空烘箱中约.(!.1U"%"取出用辊压机挤成一定厚度的薄片"将其与集电极一起压实’最后放入真空烘箱"1(!.#(K烘干2!.#S"制成电极备用’
#D,"单体模拟电容的组装
实验采用圆柱型测试模具")(EA M9水溶液作为电解液"聚丙烯无纺布为隔膜’电极在装配前需先用)(EA M9水溶液真空浸渍若干小时"然后将电极和隔膜放入测试模具"加密封圈后用弹簧紧固"即装配成一模拟单体电容器’
#D1"电化学性能测试
电容组装完毕后需要静置一段时间"待电解液分布均匀后再进行电化学性能测试’用二次电池性能检测装置及电池测试系统在室温下对双电层电容进行恒流充放电实验"测试单体电容器容量#用b&n&$?J4;#2)恒电位*恒电流仪及$?J4;
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.#((,年第#期!)1$卷
!基金项目!国家重点基础研究发展规划资助项目!#((#V X#..2(($#国家自然科学基金资助项目!0(#(<(,)$
收稿日期!#(()/()/#."""通讯作者!吴"锋
作者简介!苏岳锋"!.0+ 万方数据