碳納米管在超級電容器中的應用

碳納米管在超級電容器中的應用凝聚態(tài)物理徐嬌LOGOContents什么是超級電容器1為什么要研究超級電容器2為什么要選用碳納米管作為超級電容器的電極材料？3目前碳納米管制作電極材料有哪些方向？4什么是超級電容器1.超級電容器（Supercapacitor）

“超級電容器”一詞源自于二十世紀六十年代末日本NEC公司生產的電容器產品“SUPER一CAPACITOR”，它泛指具有很高功率和高能量密度的電容器。所謂“超級電容器器”本質上是根據電化學原理設計、制造出來的，因此它又被稱為電化學電容器(Eleetro一chemicalcapatiors，Ec)。什么是超級電容器2.基本原理雙電層電容雙電層電容是在電極/溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙所產生的。對一個電極/溶液系，會在電子導電的電極和離子導電的電解質溶液界面上形成雙電層。什么是超級電容器法拉第贗電容法拉第贗電容是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，電極活性物質進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸附脫附或氧化還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。對于法拉第準電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質中由于氧化還原反應而將電荷儲存于電極中。為什么要研究超級電容器TtTextTextTex1.超級電容器與電池性能比較性能電容器超級電容器電池放電時間/s10-6~10-31~301080~10800充電時間/s10-6~10-31~303600~18000能量密度/W·h·kg-1<0.11~1020~100功率密度/W·kg-1>100001000~200050~200充放電效率~1.00.90~0.950.70~0.85循環(huán)壽命/次無限次>100，000500~2000為什么要研究超級電容器TtTextTextTex2.超級電容器特點(1)比功率高(能夠提供幾百W·kg-1到幾千W·kg-1的功率度);(2)大電流快速充電特性好;(3)電壓與容量的模塊化;(4)使用溫度范圍寬，為一40℃——+70℃;(5)循環(huán)使用壽命長，可達10萬次;(6)無污染，真正免維護;(7)價格低;(8)不需冷卻及其它附屬設備;(9)可以提供很高的放電電流，如2700F的超級電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達1680A;(10)可以任意并聯(lián)使用來增加電容量，如采取均壓措施后，還可串聯(lián)使用為什么要研究超級電容器TtTextTextTex3.研究意義由于超級電容器具以上優(yōu)點，近年來，它已經成為全球研究熱點件刊。超級電容器可以用來與動力電池配合使用，充當大電流或能量緩沖區(qū)，減小大電流充放電對電池的傷害，延長電池的使用壽命，同時能較好地通過再生制動系統(tǒng)將瞬間能量回收于超級電容器中，提高能量利用率;另外也可應用于其他系統(tǒng)中，如作為燃料電池的啟動動力，做移動通訊和計算機的電力支持等特別是在電動汽車上的應用對提高其加速性能、瞬時啟動、爬坡能力、吸收利用剎車和顛簸能量的作用幾乎是無可替代的，美國、日本和俄羅斯等國都先后投入大量人力、物力對超級電容器進行研究開發(fā)，有些公司的產品已實現(xiàn)商業(yè)化。例如，美國能源部對電動車用超級電容器的開發(fā)已制訂了相應發(fā)展計劃，遠期目標為比功率達到1500W.kg-1，比能量達到15W.h.kg-1。為什么要選用碳納米管作為超級電容器的極材料？ConceptTextTextTextTextTextText1.超級電容器的改進雙電層電容原理提高電極材料比表面積和孔利用率，從而增大比電容，比能也就增大了。贗電容原理提高電極材料可逆法拉第反應的幾率，從而增加比能。多孔碳材料1.活性炭2.活性炭纖維3.碳納米管etc......1.金屬氧化物電極材料如：RuO2、NiO、CoO等2.導電聚合物電極材料如：PPY、PTH、PVN為什么要選用碳納米管作為超級電容器的極材料？Concept由石墨原子單層繞同軸纏繞而成或由單層石墨圓筒沿同軸層層套構而成的管狀物。其直徑一般在一到幾十個納米之間，長度則遠大于其直徑。

tTextTextTextTextText2.碳納米管（CNT）為什么要選用碳納米管作為超級電容器的極材料？Co優(yōu)良的導電性ncept中空結構，納米尺寸部分碳sp3雜化TextTextTextTextText3.結構與性能巨大的比表面積碳原子sp2雜化高模量、高強度目前碳納米管制作電極材料有哪些方向直接用CNT制作電極材料單壁CNT、多壁CNT等等。用活化后的CNT制作電極材料用HNO3、CO2、空氣等活化CNT，增大其比表面積，從而增大其比容量，并改善其循環(huán)使用性能。CNT與金屬氧化物復合制作電極材料與過度金屬氧化物（RuO2、NiO2、MnO2等）復合，當過渡金屬氧化物與復合后，過渡氧化物電極上可發(fā)生快速可逆的電極反應，同時CNT具有大比表面積的網狀結構和CNT良好的導電性使電子傳遞更能進入到電極內部，使能量存儲于三維空間中，最終提高了電極的比電容和能量密度。CNT與導電聚合物復合制作電極材料將導電聚合物（PPY、PAN、PANI等）包覆于碳納米管上，使二者優(yōu)勢互補，復合電極材料具有優(yōu)于導電聚合物的導電性和循環(huán)性能，而比容量也較碳納米管有了大幅提高。CNT與石墨烯復合制作電極材料CNT超級電容器的幾大發(fā)展方向Diagram碳納米管在超級電容器中的應用受到了廣泛的關注。不同方法制備出的碳納米管由于微觀結構、形態(tài)存在較大的差別，再加上電極成型工藝、所用電解液體系和測試方法等的不同，電容性能差別很大。目前的研究多集中在碳納米管的制備方面，針對其微觀結構與電化學性能的關系等理論問題的研究較少，還缺乏清晰的認識，今后應加強這方面的工作以指導碳納米管的制備和篩選。碳納米管比表面積小，比容量偏低?；瘜W活化可以顯著提高其比表面積，增大其比電容。將碳納米管與準電容材料金屬氧化物或導電聚合物復合，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，彌補不足，并產生協(xié)同效應