2015年11月 同济大学

超级电容器活性炭电极材料的发展 专业：化学工程与工艺 学号：1353901 姓名：巩宇锈 摘要 本文简单介绍了超级电容器的原理以及应用范围。提出了电容器电极材料的选择，就其中一种性能高的材料——活性炭在超级电容器的发展过程中的改进做了介绍，包括其理论提出、比表面积，孔径分布、表面官能团等性质的发展。最后对活性炭电极材料的未来发展方向进行了展望。

关键词：超级电容器 活性炭材料

ABSTRACT This paper briefly introduce the principles and application prospect of supercapacitor. Selecting the capacitor electrode material is proposed. As the high performance of a material - activated carbon, its development process of supercapacitoris presented, including its proposed theory, the development of the specific surface area, pore size distribution, surface functional groups, and other properties. At last, the future direction of activated carbon electrode material is put forward. Keywords:supercapacitor; activated carbon materials 目录 摘要 .................................................................................................................................................. 1 ABSTRACT ...................................................................................................................................... 1 目录 .................................................................................................................................................. 2 1 引言........................................................................................................................................... 3 2 工作原理 ................................................................................................................................... 4 3 发展........................................................................................................................................... 4 3.1初步发展............................................................................................................................. 4 3.2比表面积改进 ..................................................................................................................... 4 3.3孔径分布............................................................................................................................. 5 3.4表面官能团 ......................................................................................................................... 6 4 总结与展望 ............................................................................................................................... 6 参考文献........................................................................................................................................... 8 1 引言 超级电容器，又叫电化学电容器、黄金电容、法拉电容。包括双电层电容器和赝电容器，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。 作为一种新型能源器件，除了具有多次充放电的优点，还具有充电时间短、工作温度范围宽、贮存寿命长，特殊的功率密度和适度能量密度等优点。正因为如此，超级电容器广泛应用于运输业，包括作为车动力和航空航天等；工业，包括应急照明，电信数据储存，电梯电源等；军事领域，包括电车混合电传动系统，舰用电磁炮等。 超级电容器的储能机理是利用电极/电解质交界面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化还原反应来储存能量[1]。基于这一机理就对电极材料提出了以下要求:( 1) 电极材料需有较大的比表面积。碳材料因为有较大的比表面积( 活性炭、石墨烯等) ，作为超级电容器电极材料得到了广泛的应用，比如活性炭的比表面积可达到 2 000 m2/ g 以上[2]。( 2) 电极材料在超级电容器使用条件下要有长期的化学稳定性和充放电重复循环能力，从而保证超级电容器的使用寿命。( 3) 电极材料表面氧化还原电阻、电极材料与电解液和集流体有较小的接触电阻，以减小超级电容器的电化学阻抗。( 4) 电极材料在电解液中具有优良的浸润性、合理的电极与电解液界面接触角。( 5) 材料在形成电极系统时要具有机械完整性，在开路状态下自放电尽量小[3]。 目前主要研究的超级电容器电极材料为碳材料。包括活性炭和石墨烯。碳材料作为超级电容器材料要满足以下几个条件: ( 1) 具有较高的实际表面积，至少达到1 000 m2/ g; ( 2) 多孔阵列中，粒子具有较好的导电性; ( 3) 材料表面与电解液要有良好的接触。目前提高碳材料超级电容器能量密度、功率密度的手段主要是增大比表面积和合理控制材料孔径。碳材料属于双电层超级电容器材料，在反复的充放电循环过程中可逆性较高，寿命较长。[4] 2 工作原理 活性炭电极超级电容器的工作原理如图 1 所示5，活性炭电极浸在电解液中，当施加的电压低于电解液的分解电压时，在电场作用下电极表面会形成紧密的双电层储存电荷，充电时，电子从正极移动到负极，电解液中的正负离子分别向两极移动，在电极表面紧密排列，形成双电层结构; 放电时，电子通过活性炭材料从负极移动到正极，正负离子则从活性炭表面重新回到电解液中6。根据 Helmholtz 模型，电极表面形成双电层的电容量可以用公式 C = ( KeA) / d 来表示，Ke表示在界面区的有效电容量，d 是双电层间距，A 代表溶液和电极之间相接触的表面积，通常 Ke/ d的范围为 10 ～30 μF / cm27，因此，为了获得较大双电层电容量，必须采用高比表面积的活性炭材料。另外，研究表明，电容量的大小还受孔径、孔型、表面官能团及电解液等因素的影响8-9。

3 发展

3.1初步发展 1957年Backer10申请了活性炭作电极材料的双电层电容器专利，它以碳材料为电极，硫酸水溶液作电解质，工作电压，当时这第一篇专利并没有引起人们的关注，六十年代集成电路和计算机技术的迅猛发展，促成了作为备用电源的超级电容器的研制。1970年，日本的NEC公司和松下电器公司联合开发了双电层电容器和黄金电容器的商品化液体双电层电容器11。

3.2比表面积改进 理论上来说，活性炭的比表面积越大，超级电容器的比电容越大，但是在实验中发现，两者并不是简单地线性关系。 Lozano-Castello等[6]以煤为前驱体，采用化学活化法制备出一系列活性炭电极材料，结果表明，比电容随比表面积的增大而增加，但二者并不存在简单的正比关系。张翠12等以酚醛泡沫碎屑为原料，在碳化温度为800℃条件下，采用NaOH活化法制备比表面积为1 750m2· g-1的高比表面积活性炭，其电容达到266F/g。张传祥等以太西无烟煤为前驱体， KOH为活化剂制备出比表面积高达3 059m 2/g富含中孔的活性炭.该活性炭在3mol/LKOH电解液中具有高的比电容(322F/g)13。 综合分析活性炭原料及制备工艺可知，导致活性炭电极超级电容器性能产生差异的主要原因在于:(1)采用不同的前驱体，经不同的活化工艺制得的活性炭材料，即使比表面积相近，但在电解液中形成双电层电容的有效比表面积也可能存在较大差异，从而影响电极材料的单元静电容量;(2)各种电解质离子的直径不同，对活性炭电极中可利用的最小微孔的孔径要求也不同，从而使可利用的有效表面积不同，影响其电化学性能。因此，改进超级电容器电极材料的性能，不能单纯提高活性炭的比表面积，应综合考虑其物化性质，提高电极材料的有效比表面积5。