双电层电容器活性炭电极的优化.ppt

*双电层电容器中的活性炭电极的优化双电层电容器（Doublelayercapacitor,DLC）,又称“电化学电容器（Electrochemicalcapacitor,EC）,或者超级电容器（Supercapacitor,Ultracapacitor）”,是一种介于传统物理电容器与电池之间的新型储能元件。它除了兼有电容器的比功率大和电池的比能量高的特点外，还具有温度范围宽、冲放快速、电压保持能力强、能量转化效率高、清洁无污染和长寿命等优势，被广泛应用于各种电子产品的备用电源、高能脉冲电源以及混合电动车系统的辅助电源。双电层电容器简介双电层电容器的储能机制是电荷储存在电极和电解液界面之间所形成的双电层中,依靠静电荷储存能量。电极材料的物理参数（比表面积、孔容、孔径分布）对电容器的储电能力有较大的影响，也就是说，双电层电容器的性能主要取决于电极材料的性质，一般使用比表面积较大的多孔炭作为电极材料,主要有活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶和碳纳米管，以及高分子材料的炭复合产物。活性炭由于其价廉、易得、电化学性能稳定等优点，得到了广泛应用。活性炭结构分析活性炭具有发达的微细孔结构,其形状有平面狭缝形、直筒形、V形、锥形、墨水瓶形和这些形式的扭曲形等，活性炭的孔隙是由这些形式的孔共同构成的:大孔上缔结中孔,中孔上缔结微孔,孔与孔分叉连接,其巨大的比表面积就是由活性炭的外表面与大孔、中孔及微孔的表面共同贡献的结果.根据孔径不同对活性炭内部孔隙进行分类,不同的研究部门所给出的分类范围稍有不同，但多认为微孔是2nm以下的孔隙,中孔为2~50nm或100~200nm的范围,之外则为大孔,中孔、大孔的界定会有差异.微孔是作为原料使用的活性炭所具有的孔隙,起形成双电层的作用,对静电容量有较大影响,中孔和大孔是在制造活性炭过程中形成的,作为电解液中离子迁移的通道具有重要作用,大孔主要起着由外部向内部输送离子的作用,中孔既起输送作用,又起形成双电层作用,同时还是大孔与微孔的架构桥梁.在进行大电流充放电时,孔隙内离子移动速度起决定作用,将影响急速充放电及大电流放电性能,这是因为电极反应中扩散速度起决定性作用。大孔、中孔的孔径越大、数量越多,扩散阻力越小,但固体活性炭的强度与密度下降。因此,孔径分布的优化对电容器的性能有很大影响。改性后活性炭的微孔及中孔表面积和孔容都得到增加,但中孔所占比例增大,而微孔所占比例减小,孔径分布更为合理,得到电化学特性改善的优化活性炭电极材料。活性炭的表面由微晶的棱晶面与基底面构成,棱晶面的反应性能优于基底面.棱晶面上的电偶层容量大,主要源于表面官能团的氧化还原而产生的仿真容量;基底面的电偶层容量小是受活性炭半导体性质影响.氧含量越多的活性炭单位质量的静电容量越大,有时能增加20%以上.但氧化过度容易引起电阻增加、气化问题及耐电压性能下降.因此,选择适当的孔隙结构,有效控制表面官能团,对提高电偶层容量与耐电压性能很重要.机械物理方法改性活性炭实验采用一种新型的滚压振动磨机,原料为商用活性炭,加入活化剂,在惰性气体保护下进行多级细化处理使活性炭发生改性.分别取改性前后的20mg活性炭材料和黏结剂聚四氟乙烯,冷压成型制得电极片,分散剂为异丙醇,电解液为6mol.L-1KOH溶液.实验过程比表面积是用于评价粉体材料的活性、吸附、催化等多种性能的重要物理属性,电容器的电容量取决于极化电极的比表面积.原料及改性后的活性炭都以中孔为主,改性后的活性炭BET比表面积增加27%,微孔面积增加22%,中孔面积增加35%,微孔容积增加25%,中孔容积增加30%.实验结果见表1.结构与表征（一）比表面积BET测试Fig·1SEMphotosofAC(amplificationof250,measureof100μm)（二）表面形貌测试Fig·2SEMphotosofAC(amplificationof1000,measureof20μm)Fig·3CVofactivatedcarbonbeforeandaftermodification由图3可以看到,在无论是高加速电压100mV还是低加速电压5mV下,经过改性的活性炭电极循环伏安特性优于未改性的活性炭电极,细化后的活性炭电容量增幅约为10%.循环伏安特性（三）图4是改性电极在不同加速电压(10~80mV)下循环伏安特性比较,在加速电压较小时活性炭电极具有良好的对称性,表明其电化学特性较好,但随着加速电压的增大,电化学特性变差.充放电特