納米碳材料改善電化學電容器性能研究
發布時間:2019-07-13 17:20:05來源:
電化學電容器也稱超級電容器,是近幾年發展起來的一種介于傳統電容器和二次電池之間的新型電能存儲裝置111.它具有優良的脈沖充放電性能及傳統物理電容所不具有的高存儲性能(容量為傳統電容器的20~200倍),其功率密度、循環壽命、快速充放電性能、充放電效率及安全穩定性能等都優于一般二次電池(功率密度可為二次電池的10倍以上)但與二次電池相比,電化學電容器的能量密度偏低12.因此,如果將二次電池、燃料電池等與電化學電容器結合,有可能組合成一種高比能量、高比功率的復合動力電源系統|3~51.美國、日本、法國、俄羅斯等國家己經研制出高性能的電化學電容器,與二次電池、燃料電池聯用組成電動汽車動力能源系統,用于整車為電極摻雜該種電子導體的模擬電容器的測試結果。各電容器極片的厚度、面積均相等,單電極質量為0.1g左右(依所加電子導體密度不同略有差異)各電極電子導態。
3結果相比,兩者的單電極比容量都有明顯下降證實CB與NCB的添加具有提高電極容量的性能。添加CB的碳電極隨著電流的增大容量衰減較大,而添加NCB的電極容量變化平緩,間接證明NCB在電極中導電性能優于CB此外,由交流阻抗測試可直接證明在一定添加量的條件下,含NCB的活性炭電極導電性能好于含CB的電極。但與添加較高比例NCB及CB的電極相比,兩者導電性CNT因其獨特的納米級管狀結構而具有較大的比表面積及良好的導電性,其孔徑分布幾乎都在2~50nm之間,全部屬于可被電解液浸潤的中孔范圍,故CNT作為雙電層電容器電極的導電材料,自身就具有很高的比表面積利用率,在提高電極導電性能的同時,可賦予電極良好的容量性質。
CNT的中空管狀結構可使離子在電極中擴散容易,其良好的導電性可提高電極的電子傳輸能力。所以,摻雜CNT的活性炭電極具有良好的導電性能和大電流充放電性能。
未處理的CNT極為蓬松,在使用前必需用高速粉碎機切成碎末,然后進行充分研磨至細粉狀,或經強氧化性酸處理,將CNT的管狀結構打斷,以提高管內腔的利用率并增大CNT的實際使用密度,以保證復合電極的體積比容量。此外,摻雜CNT的電極具有良好的機械加工性能。
3.2.3MCMB在電極中導電性能相對較差MCMB其整體外型呈現球形,為高度石墨化的人工軟碳材料,內部是高度有序的層面堆積結構。其本身粒度細微,結構致密,導電性能良好。但如所示,添加MCMB導電劑的模擬電容器其等效串聯內阻比較大,在電極中的離子擴散阻抗也較大。
經分析,與石墨的情況類似,MCMB顆粒彼此較為分散,顆粒本身結構致密,若添加比例受限,則分散于活性炭粉末中的電子導體顆粒彼此獨立,且受制備工藝影響,MCMB親水性稍差,會影能均無明顯下降說明它們的枝狀交聯結構在電極中確實具有一種特殊的導電性能。
3.2.2CNT在電極中導電性能良好由和可知,CNT與高比表面活性炭充分混合后制備的復合電極,其導電性能及質量比容量僅次于添加NCB的電響水溶液離子在電極中的浸潤擴散,因此不能形成電極整體的電子、離子導電優勢。從較小電流密度下單電極質量比容量看,MCMB在電解液中有較好的雙電層容量性質,與NCT相當,但受電極導電性能影響,隨著充放電電流的增大,電極容量衰減較嚴重。
極,且該電極的體積比容量較高。
所以MCMB作為電子導體添加于活性炭材料中,因為過度dw分散及浸潤性稍差復合電極的導電性能相對較差,相同條件PublishingHouse.Itnusreser/,ntq)……
下,MCMB提升電極導電性的能力不如石墨。
3.4各模擬電容器的充放電效率表1是添加不同電子導體的5種模擬電容器在較大電流密度下的充放電效率。
表1添加不同導電劑的模擬電容器充放電效率比較模擬電容器300mA/g下充放電效率(%)500mA/g下充放電效率(%)可見,添加CNT電子導體的模擬電容器充放電效率比較高,添加NCB的次之,而添加CB的比較低,可能與CB表面有較多的官能團在充放電過程中發生不可逆電化學反應有關。
各模擬電容器的充放電效率可進一步證實CNT與NCB在電極中的導電性能良好。
3.5復合電極中電子導體的適宜添加量由,電極中添加少量鎳粉后,模擬電容器等效串聯內阻進一步減小。
將具有高導電性的金屬相作為導電劑的一部分引入,其自身不能在電解液中貢獻雙電層容量,所以應根據電化學電容器不同的充放電性能需求來考慮金屬粉末的添加量。而納米碳材料的應用也為金屬相電子導體的引入提供了空間,使電極導電性明顯改善的同時,對電極的容量性質影響卻較小。
4結論納米碳材料NCB的微粒(納米級)呈枝狀交聯結構,自身具有良好的導電性能和較高的比表面積,與活性炭粉末摻雜制成的復合電極導電性能好,質量比容量較高;CNT同樣具有良好的導電性,自身的納米級管狀結構可被充分利用,孔徑分布合理,與活性炭粉末摻雜制成的復合電極具有導電性能好,質量與體積比容量俱佳,充放電效率高,機械加工性能好等很多優點;而MCMB微粒結構致密,在電極中其球形結構不能與活性炭顆粒較好地接觸,不利于電子傳輸,而其稍差的親水性也不利于離子在電極中的擴散,所以電極的整體導電性能較差。綜上所述,納米碳材料具有特殊的納米尺寸結構及良好的導電性能,可明顯改善電極導電性能,是較為理想的電化學電容器用電子導體;若要進一步改善電極導電性能,滿足電容器在大電流條件下充放電性能,可添加少量金屬粉末,增加碳電極中的金屬相成分。