超级电容器的电极材料在线视频

大家好

今天我们学习超级电容器章节

最后一部分内容

超级电容器的

电极材料

在之前的学习中

我们已经知道

电化学活性材料的电化学性能

是化学电源领域研究的核心内容

活性材料的性能

直接决定了化学电源的性能

因此提高电极材料本身的储能性能

以及开发新型电极材料

成为目前提高储能装置性能的重点

正如前所述

双电层超级电容器主要通过

电极溶液界面电双层来储存电荷

电容值C的大小与电极表面积S关系密切

因此

双电层超级电容器

大多数选择具有表面积大

孔体积大的碳基体作为电极材料

可以作为双电层超级电容器的

电极材料有多孔碳 碳纤维

碳纳米管及石墨烯等

多孔碳是双电层电容器中

使用最多的一种电极材料

其分为活性炭 洋葱碳 碳化物衍生碳

模板碳等

多孔碳的关键性能指标为比表面积

孔径分布

表面官能团和电导率等

活性炭是最为常见的碳基材料之一

一般认为其比表面积越大

比电容就越高

但实际情况却复杂的多

研究表明

活性炭的比电容

与其比表面积并不呈线性关系

具体而言

在活性炭中

对比表面积贡献较大的

为孔径非常小的超细微孔

而电解质离子因为尺寸关系

却难以进入微孔形成双电层

所以这些超细微孔

对应的表面积就成为无效比表面积

也就是说

除比表面积外

孔径分布也是一个非常重要的参数

国际纯粹与应用化学学会

将多孔材料的孔隙分为微孔

小于两个纳米

中孔2-50纳米和大孔

大于50纳米三类

其中增大中孔的含量

可明显提高双电层电容器的

能量密度及功率密度

此外活性炭表面有机官能团

对双电层电容器的性能影响也较大

一方面有机官能团

可以提高电解质对碳材料的润湿性

从而提高碳材料的比表面积利用率

但是另一方面

若碳材料表面官能团含量过高

则材料的接触电阻会越大

从而导致

电容器的等效串联电阻也就越大

总之活性炭材料用于双电层电容器

电极材料具有诸多优点

研发同时具备高比表面积和高中孔含量

以及表面带有适合类型

及数目有机官能团的活性炭材料

尤为关键

洋葱碳是一种0维碳材料

其内部几乎没有孔道结构且尺寸为纳米级

比表面积一般能够达到

500-600平方米每克

比容量为30法拉每克

碳化物衍生碳是一种将

金属碳化物中的金属

去掉后得到的碳材料

一般用氯置换金属碳化物中的金属M

由于是通过化学反应将金属原子去除

所以碳化物衍生碳能够精确的

控制其自身孔径的大小

比表面积一般在1000-3000平方米每克

具有较高比容量

另一种孔径大小可控的碳材料为模板碳

将流动性的碳前驱体注入到模板剂中

后经过高温碳化

将模板剂用酸溶解掉

就可以制备出高度有序的多孔碳材料

而规则孔道的模板能够精确的控制

模板碳的孔尺寸和孔径分布

除去传统的多孔碳材料之外

新型的诸如碳纳米管

和石墨烯材料

自被发现之日起

一直为业内研究热点

石墨烯是由一层碳原子

经过SP2杂化形成的二维片层结构

被认为是其他各种维度碳材料的

基本组成结构

如将石墨烯特定结构进行剪裁

可得到0维碳60构型碳材料

若将单层石墨烯

或多层石墨烯进行蜷曲

可分别获得1维的单壁碳纳米管

和多壁碳纳米管构型

若将多层石墨烯层叠

则可得到我们常见的石墨

实际上

目前在实验室内

即是使用石墨作为起始物料

经过化学氧化还原反应

结合超声剥离

从而制备氧化石墨烯

及石墨烯碳材料

有意思的是在纳米级尺度下

碳纳米管及石墨烯碳材料

均表现出难以置信的优异的

电荷迁移率性质

光学性质

导热导电性质

及硬度性质

被认为是未来超级电容器

理想的电极材料

当然

双电层电荷储能

是碳基材料的主要储能方式

这也使得碳基电化学电容

不会具有较高的比电容

在超级电容器发展进程中

人们发现金属氧化物电极表面

与电解液界面处会发生氧化还原反应

反应带来的法拉第电容

要远高于碳基双层电容的比电容值

赝电容超级电容器

一般使用金属氧化物电极

此类电极材料不仅能够像碳材料那样

那样靠静电引力来存储能量

且可在电极和电解液离子之间

表现出化学反应

在二维电化学反应过程中

电化学活性物质的单分子层

或类单分子层随着电荷转移

在基体上发生电吸附或电脱附

表现为电容器特性

这种电容通常称为吸附赝电容

此外

在准二维电化学反应过程中

某些电化学活性物质

发生氧化还原反应

形成氧化态或还原态

这种电容通常称为氧化还原赝电容

在过渡金属氧化物电极材料中

氧化钌是被研究的最为广泛的

氧化钌在酸和碱中的赝电容行为

涉及到不同的氧化还原反应

因此对氧化物的结晶度

有着不同的要求

例如在150摄氏度下

煅烧制备的无定形氧化钌材料

在硫酸中的最大电容值为720法拉每克

而在200摄氏度下煅烧制备的

晶态氧化钌材料在氢氧化钾中的

最大电容值为710法拉每克

无论使用哪种电解质

影响氧化钌的电化学性能的因素

无外乎以下几个方面

比表面积 结晶度 颗粒尺寸等

在此不再赘述

除去上述介绍的双电层电容器

的碳基电极材料

与赝电容电容器的金属氧化物电极材料外

还有一类新型的电化学电容电极材料

复合电极材料

具有十分广阔的应用潜力

人们寄望于通过复合电极材料的研发

在降低电极制造成本的同时

亦可获得更大的比容量

目前复合电极材料主要为

双电层电容器原理及

赝电容电容器原理电极材料的复合

包括金属氧化物/碳材料杂化

导电聚合物/碳材料杂化

导电聚合物/金属氧化物杂化等

总之

复合电极除了可以利用有机-

无机协同效应来得到电极材料本体外

还可利用有机材料间适当

的共聚反应制备

未来

复合电极势必成为人们研究的热点与重点

本章主要讲述了超级电容器的基础知识

分类 工作原理

组成及电极材料等

超级电容器在循环寿命

环保及功率密度上有着电池

不可比拟的优势

若能不断提高其能量密度

可以预期超级电容器

将可在更多领域获得更为广泛的应用

好本章内容到此结束