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活性炭與超級電容器

來源:活性炭與超級電容器 發(fā)布于:2021-04-10 08:22:37   瀏覽:352

  大多數(shù)批量生產(chǎn)的商用超級電容器都是使用活性炭作為主要成分?;钚蕴靠梢詮木哂懈咛亢康脑S多不同材料中得到,包括木炭,椰殼和果殼。最常見的是通過在600-900℃的無氧環(huán)境中對原料進(jìn)行熱處理以將其炭化,然后在相似的溫度范圍內(nèi)將其放入熱蒸汽中活化。第二個(gè)過程是激活炭的比表面積使其內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔隙結(jié)構(gòu),小體積的孔(通常直徑小于10nm)。這種孔隙率賦予材料巨大的比表面積,河南博友的特殊制造方法可以超過2000m 2 /克。此外,由于來自sp2鍵合的原子的離域π電子,活性炭具有大的導(dǎo)電性。這些特性使其非常適合雙層電容應(yīng)用。一個(gè)典型的現(xiàn)成的超級電容器的基礎(chǔ)上活性炭和有機(jī)液體電解質(zhì)具有特定的電容(即,每單位質(zhì)量的電化學(xué)活性物質(zhì)的電容)為25-30F / g。

  

超級電容活性炭

 

  活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)

  什么是超級電容器,它如何工作?

  超級電容活性炭是超級電容器必不可少的材料,超級電容器(也稱為超級電容器或電化學(xué)電容器)是一種類型的電化學(xué)能量儲存裝置的。它表面上類似于常規(guī)電容器,因?yàn)樗梢粚ζ叫邪咫姌O組成,但不同之處在于兩個(gè)電極被電解質(zhì)溶液而不是固體電介質(zhì)分離。通常但并非總是這兩個(gè)電極是相同的,并且在它們之間放置離子可滲透分離器以防止它們彼此接觸并產(chǎn)生短路。當(dāng)器件上施加電壓時(shí),正電荷收集在一個(gè)電極上,負(fù)電荷收集在另一個(gè)電極上。對于傳統(tǒng)電容器,這是故事的結(jié)尾。然而,在超級電容器中,每個(gè)帶電極的電極將吸引來自電解質(zhì)溶液的相反電荷的物質(zhì),其平衡電極的電荷。直接吸附在電極表面上的物質(zhì)形成所謂的“內(nèi)亥姆霍茲平面”,主要是極化溶劑分子,一些離子失去了它們的溶劑化殼。過去這是一個(gè)稱為“外亥姆霍茲平面”的層,由與電極相反的電荷的溶劑化離子組成。這種電極 - 電解質(zhì)界面處的電荷分離被稱為“雙電層效應(yīng)”,是存儲電能的方法。由于電位下降主要局限于該范圍為0.1〜10nm的區(qū)域,相應(yīng)的電場強(qiáng)度為每千瓦數(shù)千伏,

  

雙層電容器

 

  充電超級電容器的一個(gè)電極中雙層形成和電勢分布的圖示。

  雙層機(jī)制意味著每單位電壓(即電容)存儲的電荷量與電極的界面面積成比例。因此,超級電容器電極所需要高品質(zhì)的活性炭,一般是看活性炭比表面積和電阻值,所需活性炭最小值都要1000m2的表面積電阻越小越好。

  與通過電解質(zhì)中的Li +離子和每個(gè)電極之間的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)儲存能量的鋰離子電池不同,超級電容器中的能量存儲本質(zhì)上是靜電的。沒有反應(yīng)動力學(xué)的限制因素和通過體電極的離子傳輸材料,超級電容器的充電和放電速度比鋰離子電池快兩個(gè)數(shù)量級。此外,電池電極中鋰的重復(fù)嵌入/脫嵌可以產(chǎn)生限制其使用時(shí)間的有害副產(chǎn)物和循環(huán)應(yīng)力。超級電容器不會面臨這些問題,可以持續(xù)數(shù)十萬次充放電循環(huán),也不會明顯感覺損耗電容量。另一方面,超級電容器通常對電池具有較差的電荷存儲能力; 超級電容器的能量密度小于10Wh / kg,而鋰離子電池的平均功率為150Wh / kg。

  超級電容器的應(yīng)用

  好的活性炭制造出的超強(qiáng)電容器具有穩(wěn)定性和快速存儲和釋放電荷的機(jī)制,因此超級電容器非常適用于需要大功率(大量電流在短時(shí)間內(nèi)傳輸)的應(yīng)用。例如,他們可以從汽車或火車的重復(fù)制動中恢復(fù)能量,大型柴油發(fā)動機(jī)的冷啟動,雷達(dá)脈沖和太陽能供電的能量存儲LED路燈。超級電容器還可以作為電源緩沖器,減輕高峰的影響和短暫的電流中斷。它們已經(jīng)被用作風(fēng)力發(fā)電機(jī)執(zhí)行器中的計(jì)算機(jī)存儲器模塊和變槳控制系統(tǒng)的備用電源。


本文作者:董帝豪

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