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2.3炭气凝胶
炭气凝胶是一种轻质、纳米级且具有多孔性的非晶炭素材料,孔隙率高达80%~98%,典型孔隙尺寸<50nm,比表面积为600~1000m2/g,导电性比AC要高1~2个数量级,是一种有应用前景的电极材料。
炭气凝胶一般是通过有机气凝胶高温分解制得的,可由间苯二酚与甲醛聚合缩合,再通过溶胶2凝胶过程,最后高温分解制备。控制溶胶2凝胶过程的条件,可调节炭气凝胶的表观密度、孔隙尺寸和孔形状等一些性质。炭气凝胶虽然性能优良,但制备时需要的超临界干燥过程时间长、设备昂贵且复杂。
S.W.Hwang等初步探讨了用丙酮交换/控制蒸发来代替传统的超临界干燥过程,制得了在6mol/LH2SO4溶液中比电容达220F/g的炭气凝胶。对炭气凝胶进行热处理活化时,由于在活化过程中产生了大量孔径小的微孔,阻碍了电解液的浸润与传输,比电容得不到提高,为此,Y.Z.Wei等将制得的炭气凝胶在CO2气氛下用油酸钠进行改性,增加表面的非极性有机官能团,提高有机电解液在其中的浸润性,使炭气凝胶在有机电解液中的比电容、比能量和比功率提高。
炭气凝胶干燥使用的设备昂贵,一直难以实现规模化生产。各国研究者试图采用其他廉价原料和干燥方法代替超临界干燥,以降低成本、缩短生产周期,虽取得了一定的成功,但是产品性能与超临界干燥得到的炭气凝胶还有一定的差距,还有待进一步的研究。
2.4碳纳米管(CNTs)
CNTs具有高比表面积、合适的孔结构和高导电性,被认为是电化学电容器(ECs)的理想电极材料。
未经活化的CNTs用作电极,封闭的CNTs孔道得不到充分的利用,因此比电容较低。用KOH、浓HNO3等活化剂对CNTs进行活化处理,可打通封闭的孔道,增加表面官能团的含量,提高内腔利用率。江奇等用KOH对CNTs进行活化,得到了两端开口、长度较短且管壁粗糙的活性CNTs。与活化前相比,比表面积由194.1m2/g增大到510.5m2/g,在有机电解液中的比电容也得到了提高。J.S.Ye等采用更简便的方法来提高CNTs的比电容,在0.2mol/LHNO3溶液中对CNTs进行电化学氧化,结果比电容提高了11倍。
CNTs有许多优点,但仅用CNTs作ECs的电极材料时,性能还不是很好,如可逆比电容不很高、充放电效率低、自放电现象严重和易团聚等,加之成本较高,不能很好地满足实际需要。有关CNTs的研究多限于基础理论。为了提高电容器的性能,充分利用CNTs的双电层电容原理和赝电容原理存储电荷,需要对CNTs进行修饰,这就出现了复合CNTs的电极材料。
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