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在所有的电化学超级电容器电极材料中,研究最早技术最成熟的是碳材料,其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的。碳电极材料的比表面很大,原料低廉,有利于实现工业化大生产,但是比容量相对比较低,需要通过提高材料的比表面积来相应提高其比容量。目前,主要研究的是具有高比表面积和内阻较小的多孔碳材料、(活化)碳纳米管以及对碳基材料进行改性的含碳的复合材料等(例如活性炭炭黑等复合材料)。
2炭电极材料的发展
2.1活性炭粉
活性炭的工业生产和应用历史悠久,它也是超级电容器最早采用的碳电极材料。制备活性炭的原料来源丰富,石油、煤、木材、坚果壳、树脂等都可用来制备活性炭粉。原料不同,生产工艺也略有差别。原料经调制后进行炭化活化,活化方法分物理活化(采用CO2、H20蒸气为活化剂)和化学活化(ZnC12、KOH等为活化剂)。原料和制备工艺决定了活性炭的物理和化学性能。开始采用超高比表面积活性炭来提高双层电容器的容量,日本曾报道用石油沥青为原料开发了超高比表面积(2500~3000m2/g)活性炭用作双层电容器,但这种材料并不理想,因此又兼顾孔径分布、表观密度等性能开发了很多活性炭,同时考虑了质量比容量、体积比容量,提高了电容器的综合性能。
2.2活性炭纤维
活性炭纤维(ACF)是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。ACF的制备一般是将有机前驱体纤维在低温(200~400℃)下进行稳定化处理,随后进行炭化活化(700~1000℃)。用作ACF前驱体的有机纤维主要有纤维素基、聚丙烯腈基、沥青基、酚醛基、聚乙烯醇等。商业化的主要是前4种。活性炭纤维在双层电容器中的应用越来越受到重视。
日本松下电器公司早期使用活性炭粉为原料制备双电层电容器的电极,后来发展的型号则是用导电性优良、平均细孔孔径2~5nm比表面积达1500~3000m2/g的酚醛活性炭纤维,活性炭纤维的优点是质量比容量高,导电性好,但表观密度低。H.Nakagawa采用热压的方法研制了高密度活性炭纤维(HD一ACF),并用这种HD—ACF制作了超级电容器电极对于尺寸相同的单元电容器,采用HD—ACF为电极的电容器的电容明显提高。
2.3炭气凝胶
炭气凝胶是一种新型轻质纳米多孔无定型碳素材料由Pekala.PW等首先发现[3]。特点是比表面积高,密度变化范围广,结构可调,在电学、热学、光学等方面具有特殊性能,有着广泛的应用前景,特别是它的大比表面积和高导电率使其成为超级电容器的理想电极材料。炭气凝胶一般采用间苯二酚和甲醛为原料,二者在碳酸钠催化下发生缩聚反应形成间苯二酚甲醛凝胶,用超临界干燥法把孔隙内的溶剂脱除形成RF气凝胶,RF气凝胶在惰性气氛下炭化得到保持其网络结构的炭气凝胶。通过调节间苯二酚与催化剂的比例和凝胶的浓度,可以控制炭气凝胶的网络结构。美国劳仑兹利物莫尔国家实验室在美国能源部支持下研究开发了炭气凝胶炭电极电容器。PowerStor公司已将炭气凝胶为电极的超级电容器商品化。
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