【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件

1第二講超級電容器電極材料第五章儲能碳材料1第二講超級電容器電極材料第五章儲能碳材料1一、電容器基礎(chǔ)知識電容器的儲電機理 對于任何一個不受外界影響的“孤立”導(dǎo)體而言，當(dāng)導(dǎo)體帶電時其所帶的電量Q與相應(yīng)的電位U之比，是一個和導(dǎo)體所帶的電量無關(guān)的量，稱為孤立導(dǎo)體的電容，即： 地球的電容：700uF注：1庫倫約為6.25×1018個電子的電量一、電容器基礎(chǔ)知識電容器的儲電機理22.平板電容器2.平板電容器33.介電常數(shù)及介電質(zhì)3.介電常數(shù)及介電質(zhì)4不同的材料具有不同的介電常數(shù)（1）中性介質(zhì)： 非極性的有機薄膜材料(如聚四氟乙烯聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等)及某些浸漬材料(如石胳、純地臘凡士林、電容器法等)。穩(wěn)定，介電常數(shù)?。?.8-2.6）（2）極性介質(zhì)： 滌綸、聚碳酸酯、聚砜、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂、纖維素。不穩(wěn)定，介電常數(shù)大（3.0-6.5）（3）離子結(jié)構(gòu)介質(zhì) 玻璃、云母、陶瓷、鈦酸鹽，穩(wěn)定，介電常數(shù)可高達102－105不同的材料具有不同的介電常數(shù)5平板電容器的電容 以離子結(jié)構(gòu)的介電質(zhì)的最高介電常數(shù)計算105計算，如果面積S為1.0m2，即10000cm2，平板間距d為0.2mm，即0.02cm，則容量為4420uF，即0.044F。平板電容器的電容65.電容器的應(yīng)用 （1）阻絕直流、耦合交流：交直流互變（2）濾波、調(diào)諧：無線電（3）短暫小容量儲能：閃光燈5.電容器的應(yīng)用7二、超級電容器因何而超級？

Super-capacitor，ultra-capacitor

如果面積S為1000m2，即107cm2，平板間距d為1.0nm，即10-4cm，則容量為885F，如果電壓為1.0V，以1.0A電流放電，放電時間可達885s，即885As，換算成電池的容量單位為245mAh。二、超級電容器因何而超級？8如何實現(xiàn)？ 采用活性炭和離子溶液作為電介質(zhì) 兩個轉(zhuǎn)變：平板→多孔材料，使比表面積增大 固體介電質(zhì)→離子型溶液，d大大減小作為電極的多孔材料中的電荷與吸附在孔壁上的離子構(gòu)成雙電層，因此也叫雙電層電容器。

如何實現(xiàn)？92.超級電容器特點及應(yīng)用領(lǐng)域2.1特點體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大30~40倍充電速度快，10秒內(nèi)達到額定容量的95%失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠超長壽命，可長達40萬小時以上2.超級電容器特點及應(yīng)用領(lǐng)域2.1特點10

2.2用途（1）電動車 啟動：可以輸出幾秒到幾十秒的瞬間大電流，承擔(dān)設(shè)備啟動所需要的大功率電能，常用于各類電動汽車和重型機械設(shè)備中，單體容量50F以上，50000F以下，可幾個到幾百個串聯(lián)使用，組件電壓從12VDC直到700VDC以上 牽引：可以連續(xù)幾分鐘到幾十分鐘輸出較高強度的電流，在許多場合可以替代傳統(tǒng)的蓄電池承擔(dān)設(shè)備驅(qū)動所需的電能供應(yīng)工作，單體容量最高可達到100000F以上，可以幾個到幾百個串并聯(lián)使用，組件電壓從12VDC直到800VDC以上2.2用途11【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件12 （2）風(fēng)力發(fā)電 （2）風(fēng)力發(fā)電133.超級電容器的主要構(gòu)成 電極材料 電解液 集電體 隔膜 封裝材料3.超級電容器的主要構(gòu)成144.超級電容器電極材料4.1活性炭電極材料（1）生物質(zhì)活性炭一種椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)4.超級電容器電極材料一種椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)15【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件16【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件17【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件18【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件19（2）超級活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙基四氟硼酸銨聚碳酸酯乙腈（2）超級活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙20電極材料的比電容與比表面積呈正比不同的電解液容量不同電極材料的比電容與比表面積呈正比21(3)孔結(jié)構(gòu)與比電容的關(guān)系微孔：小于2nm，中孔：2－50nm(3)孔結(jié)構(gòu)與比電容的關(guān)系22【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件23對于硫酸電解質(zhì)，相對直徑較大的孔有利于比容量的增加對于硫酸電解質(zhì)，相對直徑較大的孔有利于比容量的增加24（4）模板合成中孔碳稀硫酸體系（4）模板合成中孔碳稀硫酸體系25第三講燃料電池用碳材料第三講燃料電池用碳材料26H2一.質(zhì)子膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)H2一.質(zhì)子膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)27二.材料及功能1.質(zhì)子膜： 傳導(dǎo)H＋質(zhì)子并阻止非質(zhì)子的通過，絕緣，耐高溫（200攝氏度以上），由無機參雜的聚合物構(gòu)成。二.材料及功能282.擴散層：碳紙或碳布因為要通入氫氣及氧氣，必須具有高透氣性的功能，在材料的選擇上必須采用多孔透氣材料。氣體擴散層所處環(huán)境同時存在還原介質(zhì)與氣化介質(zhì)，所以必須具有抗腐蝕能力。因此選擇碳材料作為氣體擴散層的主要材料。扮演電流的傳導(dǎo)器，因此氣體擴散層的導(dǎo)電度必須有一定水準(zhǔn)以上。為了確保電池組的溫度均勻分布，氣體擴散層必須是熱的良導(dǎo)體。氣體擴散層必須具有足夠的抗彎曲強度來抵抗操作壓力及熱循環(huán)穩(wěn)定性。2.擴散層：碳紙或碳布29碳紙?zhí)技?0碳布碳布31【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件32【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件33ElectrochimicaActaVolume52,Issue12,10March2007,Pages3965–3975Oneisthatcarbonclothismoreporousandlesstortuousthancarbonpaper.ThesecondisinliquidwatercoverageontheGDLsurface,withcarbonclothbeingrougherandhencelessliquidwatercoveragethancarbonpaper.ElectrochimicaActaOneisthat343.電催化層 以碳黑、碳納米管、石墨、MCMB、石油焦作為Pt等催化劑的載體。催化活性主要取決于載體的結(jié)構(gòu)。3.電催化層35Surfaceandcross-sectionalSEMimagesofthecathodecatalystlayerwithoutcarbonblackadditive(a)(b)，withVulcanXC-72Radditive(c)(d)internationaljournalofhydrogenenergy35(2010)11245e11253Surfaceandcross-sectionalSE36【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件37JournalofCatalysisVolume294,October2012,Pages63–68SEMimagesofPtnanoparticlesdepositedon(a)pristineCNTswith100cyclesofALD（atomiclayerdeposit）andCNTsacid-treatedwith(b)100,(c)200,and(d)300cyclesofALD.JournalofCatalysisSEMimages384.雙極板 主要材料：石墨要求：致密性好，導(dǎo)電性好，強度高4.雙極板39石墨加粘結(jié)劑注塑成型的雙極板石墨加粘結(jié)劑注塑成型的雙極板40【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件41【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件42Flexuralstrengthofcarbonfabric/graphitehybridcompositebipolarplatewithrespecttothearealdensityofphenolicresinatroom(25oC)andhigh(90oC)temperature.Flexuralstrengthofcarbonfa43思考題從平板電容器電容的計算公式出發(fā)，分析影響電容量的因素有哪些，解釋活性炭作為電極為什么能實現(xiàn)“超級”電容量。質(zhì)子膜燃料電池是由哪幾部分構(gòu)成的？分別用到何種（碳）材料？思考題從平板電容器電容的計算公式出發(fā)，分析影響電容量的因素有441第二講超級電容器電極材料第五章儲能碳材料1第二講超級電容器電極材料第五章儲能碳材料45一、電容器基礎(chǔ)知識電容器的儲電機理 對于任何一個不受外界影響的“孤立”導(dǎo)體而言，當(dāng)導(dǎo)體帶電時其所帶的電量Q與相應(yīng)的電位U之比，是一個和導(dǎo)體所帶的電量無關(guān)的量，稱為孤立導(dǎo)體的電容，即： 地球的電容：700uF注：1庫倫約為6.25×1018個電子的電量一、電容器基礎(chǔ)知識電容器的儲電機理462.平板電容器2.平板電容器473.介電常數(shù)及介電質(zhì)3.介電常數(shù)及介電質(zhì)48不同的材料具有不同的介電常數(shù)（1）中性介質(zhì)： 非極性的有機薄膜材料(如聚四氟乙烯聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等)及某些浸漬材料(如石胳、純地臘凡士林、電容器法等)。穩(wěn)定，介電常數(shù)?。?.8-2.6）（2）極性介質(zhì)： 滌綸、聚碳酸酯、聚砜、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機硅樹脂、纖維素。不穩(wěn)定，介電常數(shù)大（3.0-6.5）（3）離子結(jié)構(gòu)介質(zhì) 玻璃、云母、陶瓷、鈦酸鹽，穩(wěn)定，介電常數(shù)可高達102－105不同的材料具有不同的介電常數(shù)49平板電容器的電容 以離子結(jié)構(gòu)的介電質(zhì)的最高介電常數(shù)計算105計算，如果面積S為1.0m2，即10000cm2，平板間距d為0.2mm，即0.02cm，則容量為4420uF，即0.044F。平板電容器的電容505.電容器的應(yīng)用 （1）阻絕直流、耦合交流：交直流互變（2）濾波、調(diào)諧：無線電（3）短暫小容量儲能：閃光燈5.電容器的應(yīng)用51二、超級電容器因何而超級？

Super-capacitor，ultra-capacitor

如果面積S為1000m2，即107cm2，平板間距d為1.0nm，即10-4cm，則容量為885F，如果電壓為1.0V，以1.0A電流放電，放電時間可達885s，即885As，換算成電池的容量單位為245mAh。二、超級電容器因何而超級？52如何實現(xiàn)？ 采用活性炭和離子溶液作為電介質(zhì) 兩個轉(zhuǎn)變：平板→多孔材料，使比表面積增大 固體介電質(zhì)→離子型溶液，d大大減小作為電極的多孔材料中的電荷與吸附在孔壁上的離子構(gòu)成雙電層，因此也叫雙電層電容器。

如何實現(xiàn)？532.超級電容器特點及應(yīng)用領(lǐng)域2.1特點體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大30~40倍充電速度快，10秒內(nèi)達到額定容量的95%失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠超長壽命，可長達40萬小時以上2.超級電容器特點及應(yīng)用領(lǐng)域2.1特點54

2.2用途（1）電動車 啟動：可以輸出幾秒到幾十秒的瞬間大電流，承擔(dān)設(shè)備啟動所需要的大功率電能，常用于各類電動汽車和重型機械設(shè)備中，單體容量50F以上，50000F以下，可幾個到幾百個串聯(lián)使用，組件電壓從12VDC直到700VDC以上 牽引：可以連續(xù)幾分鐘到幾十分鐘輸出較高強度的電流，在許多場合可以替代傳統(tǒng)的蓄電池承擔(dān)設(shè)備驅(qū)動所需的電能供應(yīng)工作，單體容量最高可達到100000F以上，可以幾個到幾百個串并聯(lián)使用，組件電壓從12VDC直到800VDC以上2.2用途55【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件56 （2）風(fēng)力發(fā)電 （2）風(fēng)力發(fā)電573.超級電容器的主要構(gòu)成 電極材料 電解液 集電體 隔膜 封裝材料3.超級電容器的主要構(gòu)成584.超級電容器電極材料4.1活性炭電極材料（1）生物質(zhì)活性炭一種椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)4.超級電容器電極材料一種椰殼活性炭的孔結(jié)構(gòu)59【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件60【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件61【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件62【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件63（2）超級活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙基四氟硼酸銨聚碳酸酯乙腈（2）超級活性炭A:KOH活化活性炭，B：商品活性炭四乙64電極材料的比電容與比表面積呈正比不同的電解液容量不同電極材料的比電容與比表面積呈正比65(3)孔結(jié)構(gòu)與比電容的關(guān)系微孔：小于2nm，中孔：2－50nm(3)孔結(jié)構(gòu)與比電容的關(guān)系66【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件67對于硫酸電解質(zhì)，相對直徑較大的孔有利于比容量的增加對于硫酸電解質(zhì)，相對直徑較大的孔有利于比容量的增加68（4）模板合成中孔碳稀硫酸體系（4）模板合成中孔碳稀硫酸體系69第三講燃料電池用碳材料第三講燃料電池用碳材料70H2一.質(zhì)子膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)H2一.質(zhì)子膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)71二.材料及功能1.質(zhì)子膜： 傳導(dǎo)H＋質(zhì)子并阻止非質(zhì)子的通過，絕緣，耐高溫（200攝氏度以上），由無機參雜的聚合物構(gòu)成。二.材料及功能722.擴散層：碳紙或碳布因為要通入氫氣及氧氣，必須具有高透氣性的功能，在材料的選擇上必須采用多孔透氣材料。氣體擴散層所處環(huán)境同時存在還原介質(zhì)與氣化介質(zhì)，所以必須具有抗腐蝕能力。因此選擇碳材料作為氣體擴散層的主要材料。扮演電流的傳導(dǎo)器，因此氣體擴散層的導(dǎo)電度必須有一定水準(zhǔn)以上。為了確保電池組的溫度均勻分布，氣體擴散層必須是熱的良導(dǎo)體。氣體擴散層必須具有足夠的抗彎曲強度來抵抗操作壓力及熱循環(huán)穩(wěn)定性。2.擴散層：碳紙或碳布73碳紙?zhí)技?4碳布碳布75【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件76【碳材料】第五章-儲能碳材料-超級電容器電極材料課件77ElectrochimicaActaVolume52,Issue12,10March2007,Pages3965–3975Oneisthatcarbonclothismoreporousandlesstortuousthancarbonpaper.ThesecondisinliquidwatercoverageontheGDLsurface,withcarbonclothbeingrougherandhencelessliquidwatercoveragethancarbonpaper.ElectrochimicaActaOneisthat783.電催化層 以碳黑、碳納米管、石墨、MCMB、石油焦作為Pt等催化劑的載體。催化活性主要取決于載體的結(jié)構(gòu)。3.電催化層79Surfaceandcross-sectionalSEMimagesofthecathodecatalystlayerwithoutcarbonblackadditive(a)(b)，withVulcanXC-72Radditive(c)(d)internationaljournalofhydrogenenergy35(2010)11245e11253Surfaceandcr