1、第二讲第二讲 超级电容器超级电容器电极材料电极材料第五章第五章 储能碳材料储能碳材料一、电容器基础知识一、电容器基础知识1.电容器的储电机理电容器的储电机理2. 对于任何一个不受外界影响的对于任何一个不受外界影响的“孤立孤立”导体而言，当导体带电时其所导体而言，当导体带电时其所带的电量带的电量Q与相应的电位与相应的电位U之比，之比， 是一是一个和导体所带的电量无关的量，称为孤个和导体所带的电量无关的量，称为孤立导体的电容，即：立导体的电容，即：3.地球的电容：地球的电容：700uF4.注：注：1库伦约为库伦约为6.251018个电子的电个电子的电量量UQC 2. 平板电容器UQC00 UQC
2、00CCor ,QQ3. 介电常数及介电质不同的材料具有不同的介不同的材料具有不同的介电电常数常数（ （1 1）中性介）中性介质质： ： 非极性的有机薄膜材料非极性的有机薄膜材料( (如聚四氟乙如聚四氟乙烯烯聚苯乙聚苯乙烯烯、聚乙、聚乙烯烯、聚丙、聚丙烯烯等等) )及某些浸及某些浸渍渍材料材料( (如石胳、如石胳、纯纯地腊凡士林、地腊凡士林、电电容器法等容器法等) )。 。稳稳定，定，介介电电常数小（常数小（1.8-2.61.8-2.6） ）（ （2 2）极性介）极性介质质： ： 涤纶涤纶、聚碳酸、聚碳酸酯酯、聚、聚砜砜、 、环环氧氧树树脂、酚脂、酚醛树醛树脂、有机硅脂、有机硅树树脂、脂、纤维
3、纤维素。不素。不稳稳定，介定，介电电常数大（常数大（3.0-6.53.0-6.5） ）（ （3 3）离子）离子结结构介构介质质 玻璃、云母、陶瓷、玻璃、云母、陶瓷、钛钛酸酸盐盐， ，稳稳定，介定，介电电常数可高达常数可高达1021021051054.平板电容器的电容5.以离子结构的介电质的最高介电常数计算105计算，如果面积S为1.0m2，即10000cm2，平板间距d为0.2mm，即0.02cm，则容量为4420uF，即0.044F。26cm-S cm,-duF 1063,. dSC 5. 电容器的应用（1）阻绝直流、耦合交流：交直流互变 （2）滤波、调谐：无线电 （3）短暂小容量储能：闪光
4、灯二、二、 超级电容器超级电容器1.因何而超级？2. Super-capacitor， ultra-capacitor3.4.如果面积S为1000m2，即107cm2，平板间距d为1.0nm，即10-4cm，则容量为885F，如果电压为1.0V，以1.0A电流放电，放电时间可达885s，即885As，换算成电池的容量单位为245mAh。26cm-S cm,-duF 1063,. dSC 如何实现？如何实现？采用活性炭和离子溶液作为电介质采用活性炭和离子溶液作为电介质两个转变：平板两个转变：平板多孔材料，使比表面积增大多孔材料，使比表面积增大 固体介电质固体介电质离子型溶液，离子型溶液，d大大减
5、小大大减小 作为电极的多孔材料中的电荷与吸附在孔壁上的离子作为电极的多孔材料中的电荷与吸附在孔壁上的离子构成双电层，因此也叫双电层电容器。构成双电层，因此也叫双电层电容器。 2. 超级电容器特点及应用领域2.1 2.1 特点特点体积小，容量大，电容量比同体积体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大电解电容容量大30403040倍倍充电速度快，充电速度快，1010秒内达到额定容量秒内达到额定容量的的95%95%失效开路，过电压不击穿，安全可失效开路，过电压不击穿，安全可靠靠超长寿命，可长达超长寿命，可长达4040万小时以上万小时以上 2.2 2.2 用途用途（1 1）电动车）电动车启动：可以
6、输出几秒到几十秒的瞬间启动：可以输出几秒到几十秒的瞬间大电流，承担设备启动所需要的大功率大电流，承担设备启动所需要的大功率电能，常用于各类电动汽车和重型机械电能，常用于各类电动汽车和重型机械设备中，单体容量设备中，单体容量50F50F以上，以上，50000F50000F以下，以下，可几个到几百个串联使用，组件电压从可几个到几百个串联使用，组件电压从12VDC12VDC直到直到700VDC700VDC以上以上牵引：牵引： 可以连续几分钟到几十分钟可以连续几分钟到几十分钟输出较高强度的电流，在许多场合可以输出较高强度的电流，在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的替代传统的蓄电池承担设备驱
7、动所需的电能供应工作，单体容量最高可达到电能供应工作，单体容量最高可达到100000F100000F以上，可以几个到几百个串并联以上，可以几个到几百个串并联使用，组件电压从使用，组件电压从12VDC12VDC直到直到800VDC800VDC以上以上 （2）风力发电）风力发电3. 超级电容器的主要构成 电极材料 电解液 集电体 隔膜 封装材料4. 超级电容器电极材料4.1 活性炭电极材料（1）生物质活性炭一种椰壳活性炭的孔结构（2）超级活性炭）超级活性炭A: KOH活化活性炭， B：商品活性炭四乙基四氟硼酸铵聚碳酸酯 乙腈电极材料的比电容与比表面积呈正比不同的电解液容量不同(3)孔结构与比电容的
8、关系孔结构与比电容的关系 微孔：小于微孔：小于2nm，中孔：，中孔：250nm对于硫酸电解质，相对直径较大的孔有利于比容量的增加（4）模板合成中孔碳）模板合成中孔碳稀硫酸体系稀硫酸体系第三讲第三讲 燃料电池用碳材料燃料电池用碳材料H2一一. . 质质子膜燃料子膜燃料电电池的基本池的基本结结构构二. 材料及功能1. 质子膜：传导H质子并阻止非质子的通过，绝缘，耐高温（200摄氏度以上），由无机参杂的聚合物构成。2. 扩散层：碳纸或碳布因为要通入氢气及氧气，必须具有高透气性的功能，在材料的选择上必须采用多孔透气材料。气体扩散层所处环境同时存在还原介质与气化介质，所以必须具有抗腐蚀能力。因此选择碳材
9、料作为气体扩散层的主要材料。扮演电流的传导器，因此气体扩散层的导电度必须有一定水准以上。为了确保电池组的温度均匀分布，气体扩散层必须是热的良导体。气体扩散层必须具有足够的抗弯曲强度来抵抗操作压力及热循环稳定性。碳纸碳布Electrochimica ActaVolume 52, Issue 12, 10 March 2007, Pages 39653975One is that carbon cloth is more porous and less tortuous than carbon paper. The second is in liquid water coverage on the
10、 GDL surface, with carbon cloth being rougher and hence less liquid water coverage than carbon paper.3. 电催化层电催化层以碳黑、碳纳米管、石墨、以碳黑、碳纳米管、石墨、MCMB、石、石油焦作为油焦作为Pt等催化剂的载体。催化活性主等催化剂的载体。催化活性主要取决于载体的结构。要取决于载体的结构。Surface and cross-sectional SEM images of the cathode catalyst layer without carbon black additive (
11、a) (b)，with Vulcan XC-72R additive (c) (d)i n t e r n a t i o n a l j ournal o f hydrogen energy 3 5 ( 2 0 1 0 ) 1 1 2 4 5 e1 1 2 5 3Journal of CatalysisVolume 294, October 2012, Pages 6368SEM images of Pt nanoparticles deposited on (a) pristine CNTs with 100 cycles of ALD（atomic layer deposit） and
12、CNTs acid-treated with (b) 100, (c) 200, and (d) 300 cycles of ALD.4. 双极板主要材料：石墨 要求： 致密性好，导电性好，强度高石墨加粘结剂注塑成型的双极板Flexural strength of carbon fabric/graphite hybrid composite bipolar plate with respect to the areal density of phenolic resin at room (25o C) and high (90o C)temperature.思考题1. 从平板电容器电容的计算公式出发，分析影响电容量的因素有哪些，解释活性炭作为电极为什么能实现“超级”电容量。2. 质子膜燃料电池是由哪几部分构成的？分别用到何种（碳）材料？
