碳基双电层电容器电极材料的研究进展.pdf

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1、化学与生物工程２０１１，Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．１１７Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ＆Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－５４２５．２０１１．１１．００２碳基双电层电容器电极材料的研究进展刘小军１，徐新华２，黄壮昌３（１．陕西国防工业职业技术学院化学工程学院，陕西西安７１０３０２；２．西安交通大学第一附属医院，陕西西安７１００６１；３．潮州三环集团股份有限公司，广东潮州５２１０００）摘要：双电层电容器是一种介于电池与传统电容器之间的新型储能元件，具有较高的能量密度和功率密度，且充电速度快、循环寿命长、

2、对环境无污染，广泛应用于国防、军工以及电动汽车、数字通讯、计算机等众多民用领域。简述了双电层电容器的基本工作原理，综述了碳基双电层电容器电极材料的研究进展。关键词：双电层电容器；工作原理；碳基材料中图分类号：ＴＭ２４２文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４２５（２０１１）１１－０００７－０３碳基材料作为能源材料日益受到重视，用比表面积较大的活性炭制作双电层电容器（ＥＤＬＣ）的电极就是碳基材料在能源领域的重要应用之一。双电层电容器是一种新型电化学能量储存装置，其电容比传统电容器大得多，电容量为法拉级；结构与性能类似于电池，具

3、有功率密度高、充电速度快、循环寿命长、对环境无污染等优点。双电层电容器是最早出现的超级电容器，自１９５７年美国通用电器公司申请了首个以多孔炭（Ａ）无外加电源时电位（Ｂ）有外加电源时电位为电极材料的双电层电容器专利以来，碳基双电层电１．双电层２．电解液３．电极４．负载容器受到了世界各国科研人员的高度重视并逐渐得到图１双电层电容器的原理示意图［１～３］大规模商业应用。作为一种绿色环保、性能优异Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ的新型储能器件，碳基双电层电容器应用遍及国防

4、、军由于界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过工以及电动汽车、数字通讯、计算机等众多民用领域。边界彼此中和，如同一个平板电容器，因而存在电容１双电层电容器工作原理量。为形成稳定的双电层，必须采用不与电解液发生化学和电化学作用、导电性能良好的极化电极，同时还双电层电容器是建立在界面双电层理论基础上的［４］应人为施加直流电压，促使电极和电解液两相界面发一种全新的电容器。双电层电容器电极材料主要为生“极化”，本质上这是一种静电型能量储存方式。碳基材料，以双电层形式储存能量。１８７９年，德国人Ｈｅｌｍｏｈｏｌｔｚ最早提出了双电层２

5、碳基电极材料理论，认为金属表面上的净电荷将从溶液中吸引部分电极材料是超级电容器的重要组成部分，也是决不规则分配的离子，使它们在电极／溶液界面的溶液一定超级电容器性能的关键因素。碳基材料具有优良的侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电导热和导电性能，其密度低、抗化学腐蚀性能好、热膨极表面剩余电荷数量相等而电性相反的界面层。这样胀系数小、弹性模量适中，具有巨大的比表面积，制备充电界面由两个电荷层组成，一层在电极上，另一层在［５］过程中孔径分布可以调控，且可根据需要制成多种形溶液中，从而成为双电层，如图１所示。基金项目：

6、陕西国防工业职业技术学院科学基金资助项目（Ｇｆｙ１０－０５）收稿日期：２０１１－０８－２５作者简介：刘小军（１９８２－），男，湖北黄冈人，硕士，助教，主要从事储能材料的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｃａｎ１９８２１１＠１６３．ｃｏｍ。８刘小军等：碳基双电层电容器电极材料的研究进展／２０１１年第１１期［１１］态，如粉末、颗粒、纤维、布等，被广泛用作电极材料。陈秋飞等以通用级沥青碳纤维为原料，经催化目前用作双电层电容器电极材料的碳基材料主要有：活化制备了用作超级电容器电极材料的活性碳纤维，活性炭（ＡＣ）、活性碳纤维（ＡＣＦ）、碳气

7、凝胶（ＣＡＧｓ）、所得活性碳纤维在电解液（６ｍｏｌ·Ｌ－１ＫＯＨ水溶液）碳纳米管（ＣＮＴｓ）和石墨等。中比电容高达１９７Ｆ·ｇ－１。［１２］２．１活性炭刘凤丹等以天然植物纤维苎麻为原料，采用活性炭是双电层电容器最早采用的电极材料，可ＺｎＣｌ２化学活化法制备了不同活化温度下的活性碳纤作为超级电容器电极材料。由于活性炭的优良性能，维。电化学测试结果表明，经过６５０℃活化的活性碳其在双电层电容器中的应用研究一直都受到人们的关纤维超级电容器在５０ｍＡ·ｇ－１恒流放电时比电容达［６］－１注。杨裕生等综述了电化学电容器用多孔炭材料性２

8、５３Ｆ·ｇ，并且具有较低的内阻、较好的功率特性以能指标的基本要求，提出了六高性能的标准，即高比表及较长的循环寿命。［１３］面积、高堆积密度、高中孔率、高电导率、高纯度和高性薛荣等利用ＫＯＨ活化制得酚醛基活性碳纤价比，为开发更高性能的碳基电极材料指明了方向。维，并对比研究了其研磨后形成细颗粒与研磨前在６［