氮掺杂和SnO_2纳米粒子负载对_省略_墨烯超级电容器性能的影响_英文_于建华
第30卷 第6期 无 机 材 料 学 报
V ol. 30
No. 6
2015年6月
Journal of Inorganic Materials Jun., 2015
Received date: 2014-10-20; Modified date: 2014-12-23; Published online: 2015-01-20
Foundation item: International Scince and Technology Cooperation Program of China (2014DFA60150); Qingdao Municipal Science and
Technology Program (13-1-4-219-jch); Open Fund of Key Laboratory of Inorganic Coating Materials, Chinese Academy of Sciences (KLICM-2012-06)
Biography: YU Jian-Hua(1984–), female, assistant professor. E-mail: jianhuayu@https://www.wendangku.net/doc/1218466569.html, Corresponding author : DONG Li-Feng, professor. E-mail: donglifeng@https://www.wendangku.net/doc/1218466569.html,
Article ID: 1000-324X(2015)06-0662-5 DOI: 10.15541/jim20140527
Enhanced Capacitive Properties of All-solid-state Symmetric Graphene Super-capacitors by Incorporating Nitrogen-doping and SnO 2 Nanoparticles
YU Jian-Hua 1, 2, XU Li-Li 1, ZHANG Wu-Shou 3, ZHU Qian-Qian 1, WANG Xiao-Xia 1, DONG Li-Feng 1
(1. College of Materials Science and Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China; 2. Key
Laboratory of Inorganic Coating Materials, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201899, China; 3. Key Laboratory of Colloid, Interface and Chemical Thermodynamics, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Bei-jing 100190, China)
Abstract: Graphene and N-doped graphene were synthesized by a solvothermal process, and their composites with SnO 2 nanoparticles were prepared by a facile one-pot chemical solution method. The corresponding films were fabri-cated by a blade coating process and followed by heat treatment at 400℃ for 1 h. All-solid-state supercapacitors were fabricated with graphene based films and a polymer gel of polyvinyl alcohol/H 3PO 4 as electrodes and electrolyte, re-spectively. The capacitance performance of the as-fabricated supercapacitors was characterized. The results suggest that compared with graphene, N-doped graphene exhibits larger crystalline size, lower specific surface area, yet supe-rior capacitance performance, and the incorporation of SnO 2 nanoparticles on graphene and N-doped graphene sheets enhances their capacitive characteristics.
Key words: nanocomposite; SnO 2 nanoparticles; nitrogen-doped graphene; supercapacitors
As one of the most promising and efficient power sources, supercapacitors (SCs) have attracted substantial attention owing to their higher power densities and longer cycle life relative to secondary batteries and traditional electric double-layer capacitors [1]. It is known that the performance of SCs depends primarily on their electrode materials. Currently, there are three main categories of electrode materials: carbon materials, metal oxides, and polymeric materials. Metal oxides and polymeric materials are typical pseudo-capacitive materials, while carbon ma-terials with high surface area, long cycle life, and good mechanical properties are usually used in electrical double layer capacitors (EDLCs). For the purpose of improving the energy density of SCs, scientists have expended sub-stantial effort to explore alternative electrode materials demonstrating higher capacities.
Graphene, a two-dimensional single atomic carbon sheet, has quickly emerged as an attractive candidate for energy applications due to its extraordinary electrical properties, unusual mechanical strength, and ultra large specific surface area [2]. Some attempts have been made to use graphene as an electronic conducting framework to improve the performance of metal oxides [3-4]. Recently,
nitrogen and other elements have been successfully doped into graphene sheets, thus altering its electrical properties and electrochemical performance.
In this work, SnO 2 nanoparticles were synthesized on graphene (PG) or nitrogen-doped graphene (NG) sheets by a simple one-step chemical-solution route. Solid-state su-percapacitors were fabricated employing graphene-based films and polyvinyl alcohol (PV A)-H 3PO 4 gel as elec-trodes and electrolyte, respectively. It was found that the combination of SnO 2 nanoparticles and nitrogen atoms can improve the performance of graphene as a supercapacitor electrode material.
1 Experimental
PG and NG were synthesized by a solvothermal method similar to our previous work [5-6]. SnO 2 nanoparticles on PG/NG were synthesized as follows: 192 mg of SnCl 2?2H 2O was dispersed in 60 mL of deionized water, 331 μL of HCl (38vol%) and 30 mg of PG/NG were added to the mixture, and the mixed solution was sonicated for 30 min, and then the mixture was filtered, washed and dried at 70℃ for 12 h. Finally, SnO 2/PG (NG) products
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with 40wt% SnO2 nanoparticles were obtained.
The graphene-based film with 10 mg active materials was fabricated on conductive fluorinated tin oxide (FTO) glass by a blade coating process with CH3(CH2)11O S O3Na and acrylic resin as surfactant and binder, respectively, followed by heat treatment at 400℃ for 1 h. All-solid- state supercapacitors were assembled employing the ob-tained films and PVA-H3PO4 gel as electrodes and elec-trolyte, respectively.
Morphological and structural investigations of gra-phene-based samples were studied by a JEM JEOL 2100 transmission electron microscope (TEM). X-ray photo-electron spectroscopy (XPS) analysis was conducted using a VG ESCALab220i-XL electron spectrometer. The spe-cific surface areas of the samples were determined by the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method using a surface area analyzer (ASAP 2020, Micrometrics). Cyclic volt-ammetry (CV) and electrochemical impedance spectros-copy were conducted with an electrochemical working station (CHI 660D).
2 Results and discussion
The survey XPS spectra of PG and NG are shown in Fig. 1(a)-(b). For NG, the amount of doping nitrogen is determined to be 10.98at%, and three types of bonding configurations of nitrogen atoms are existed within carbon structures: pyridinic, pyrrolic, and graphitic-N at 399.0 eV, 400.1 eV and 401.0 eV, respectively (shown in Fig. 1(c)). The dominant pyridinic-N and pyrrolic-N indicate that N atoms are thermodynamically stable at the edges of the graphene lattice[7]. On the other hand, Raman spectros-copy can be used to examine the crystallization of gra-phene. As given in Fig. 1(d), the G band at circa 1580 cm-1 and the 2D band at circa 2700 cm-1 are the most prominent features for monolayer graphene: the G band is associated with the doubly degenerated E2g phonon mode at the Bril-louin zone center due to in-plane vibration of the sp2 car-bon atoms, and the 2D band originates from the second order scattering process[8]. In addition, the D band at around 1350 cm-1 is associated with the presence of disor-ders in atomic arrangement or edge effect of graphene, ripples, and charge puddles. The in-plane crystallite sizes (d) of PG and NG sheets calculated by the relative intensities of the D and G band were 16 nm and 27 nm, respectively[9].
X-ray diffraction (XRD) patterns of PG, NG, SnO2/ gra-phene (SnO2/PG), and SnO2/N-doped graphene (SnO2/NG) are shown in Fig. 2. XRD patterns of NG (Fig. 2(a)) and PG (Fig. 2(c)) reveal the characteristic reflection of graphite structure at about 26o and other diffraction peaks (Fig. 2(c)) corresponding to KCl, which is formed during the gra-phene synthesis process. The XRD patterns of SnO2
/ Fig. 1 Survey XPS spectra of PG (a) and NG (b), N1s spectra of NG (c) and Raman spectra of PG and NG (d)
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Fig. 2 XRD patterns of PG, NG, SnO 2/PG and SnO 2/NG
graphene composites (Fig. 2(b) and Fig. 2(d)) reveal characteristic reflections of graphene and SnO 2, and the graphene (002) peak overlaps with the SnO 2 (110)peak at circa 26o. Therefore, XRD further reveals the formation of SnO 2 nanoparticles in the composites.
TEM and HRTEM images of SnO 2/PG and SnO 2/NG are presented in Fig. 3. A few SnO 2 nanoparticles were observed to form on PG sheets (Fig. 3(a)), although a lar-ger number of SnO 2 nanoparticles uniformly formed on NG sheets (Fig. 3(b)). The higher concentration and uni-formly dispersion of SnO 2 nanoparticles on NG is likely due to the fact that nanoparticles preferentially nucleate and grow at nitrogen sites [10-12]. As shown in Fig. 3(c) and Fig. 3(d), the well-arranged crystalline lattice fringes indicate single crystal structure for SnO 2 nanoparticles. The lattice spacings of 0.34 nm and 0.26 nm are corre-sponded to the (110) and (101) planes of tetragonal SnO 2, respectively.
The specific surface areas of PG , NG, SnO 2/PG and SnO 2/NG calculated by the BET method are 88.71 m 2/g, 62.64 m 2/g, 92.74 m 2/g, and 65.85 m 2/g, respectively. It suggests that N-doping decrease specific surface area, which might be due to the larger crystalline size for NG compared with PG, while SnO 2 nanoparticles slightly increase specific surface area. However, the specific sur-face area of graphene synthesized by the solvothermal process is much smaller than that of graphene synthe-sized by the modified Hummer’s method reported by Li, et al [13] which could be due to rippled graphene sheets caused by high pressure during the hydrothermal reaction process.
CV curves for graphene films as electrodes are nearly rec-tangular (Fig. 4(a) and Fig. 4(b)), suggesting typical charac-teristics of EDLCs. The comparison of capacitance behaviors for graphene-based materials is presented in Fig. 4(c). The shapes of CV curves for PG and SnO 2/PG supercapacitors
are more rectangular compared with those for NG based
Fig. 3 TEM images of SnO 2/PG (a) and SnO 2/NG (b) as well as their corresponding HRTEM images (c) and (d), respectively
supercapacitors. Because the rectangular shape of CV loop indicates low contact resistance for the device [14], the re-sults suggest that the contact resistances of PG and SnO 2/PG supercapacitors are lower than those of NG and SnO 2/NG supercapacitors. The specific capacitances of PG, NG , SnO 2/PG , and SnO 2/NG are 12.7, 19.4, 14.0, and 22.1 F/g, respectively. This clearly demonstrates that, the incorpora-tion of N atoms and SnO 2 nanoparticles can enhance the capacitance behavior of graphene, and the enhancement of N-doping is more obvious. As described above, the spe-cific surface area of NG is lower than that of pristine gra-phene. Therefore, the capacitance enhancement for the supercapacitor based on NG electrodes is putatively caused by nitrogen configuration [15]. The basal-plane pyridinic N, which is rather thermally stable as compared to pyrrolic N, is claimed to have a dominant role in the capacitance enhancement in the graphene structure [16]. Therefore, controlling nitrogen configuration to increase supercapacitor performance will be a task for our future work.
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Fig. 4 Electrochemical characterizations of graphene-based supercapacitors
CV curves for PG and NG at different scanning rates (a, b), CV curves for PG , NG , SnO 2/PG , and SnO 2/NG at a scanning rate of 50 mV/s (c), and their
Nyquist plots (d)
Nyquist plots of the fabricated supercapacitors based on different materials are similar (Fig. 4(d)), exhibiting a “Warburg like” behavior with a slope of about 45o, illus-trating the expected shape for double layer charging of porous electrodes. Equivalent series resistances (ESRs) of supercapacitors based on PG and SnO 2/PG electrodes oc-cur in the range of 35–40 ?, yet those of supercapacitors based on NG and SnO 2/NG electrodes are in the range of 60–70 ?. The higher ESRs of NG and SnO 2/NG elec-trodes can be attributed to the poor conductivity induced by the incorporation of N elements, because the introduc-tion of N atoms alters the conductive behavior of graphene to semi-conductive performance for N-doped graphene [5].
3 Conclusions
Symmetrical solid state supercapacitors were assembled using PG, NG, SnO 2/PG, or SnO 2/NG films as electrodes. Electrochemical measurements demonstrated that both N-doping and SnO 2 nanoparticles could enhance the ca-pacitance of graphene electrodes, the enhancement of which might be due to increased defect sites and specific surface area. Meanwhile, the supercapacitors with NG and SnO 2/NG films as electrodes exhibited higher equivalent
series resistances, a result that was associated with the semi-conductivity behavior of NG and SnO 2.
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氮掺杂和SnO2纳米粒子负载对全固态对称型
石墨烯超级电容器性能的影响
于建华1, 2, 许丽丽1, 张武寿3, 朱倩倩1, 王晓霞1, 董立峰1
(1. 青岛科技大学材料科学与工程学院, 青岛266042; 2. 中国科学院上海硅酸盐研究所, 特种无机涂层重点实验室, 上海201899; 3. 中国科学院化学研究所, 胶体界面与化学热力学院重点实验室, 北京100190)
摘要: 电极材料是影响超级电容器性能的主要因素。本研究采用溶剂热法合成石墨烯和氮掺杂石墨烯, 通过简单的化学法在其表面负载SnO2纳米粒子。利用刮涂工艺在FTO玻璃表面制备石墨烯、SnO2/石墨烯、氮掺杂石墨烯和SnO2/氮掺杂石墨烯薄膜, 并经400℃热处理。分别以制备的石墨烯基薄膜和PV A/H3PO4为电极和电解质组装对称型全固态超级电容器。测试结果表明, 与石墨烯相比, 氮掺杂石墨烯具有较大的晶粒尺寸、较高的比表面积和较高的超电容性能; SnO2纳米粒子负载可显著提高石墨烯和氮掺杂石墨烯的超电容性能。
关键词:纳米复合材料; SnO2纳米粒子; 氮掺杂石墨烯; 超级电容器
中图分类号: TQ174 文献标识码: A
超级电容器电极材料的研究进展
2011年第3期 新疆化工 11 超级电容器电极材料的研究进展 摆玉龙 （新疆化工设计研究院，乌鲁木齐830006） 摘要：超级电容器既具有超大容量，又具有很高的功率密度，因此它在后备电源、替代电源、大功率输出等方面都有极为广泛的应用前景。超级电容器的性能主要取决于电极材料，近年来各国学者对于超级电容器的电极材料进行了大量的研究。 关键词：超级电容器；电极材料 1 前言 超级电容器的种类按其工作原理可以分为双电层电容器、法拉第准电容器(也称为赝电容电容器)以及二者兼有的混合电容器。双电层电容器基于双电层理论，利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来储存能量。法拉第准电容器则基于法拉第过程，即在法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生，不仅发生在电极表面，而且可以深入电极内部。根据这两种原理，目前作为超级电容器的电极材料的主要分为三类[1]：碳材料、金属氧化物及水合物材料、导电聚合物材料。 2 碳材料类电极材料 在所有的电化学超级电容器电极材料中，研究最早和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。碳电极的研究主要集中在制备具有大的比表面积和较小内阻的多孔电极材料上，可用做超级电容器电极的碳材料主要有:活性炭、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶、纳米碳管等。 活性炭(AC)是超级电容器最早采用的碳电极材料[2]。它是碳为主，与氢、氧、氮等相结合，具有良好的吸附作用。其特点是它的比表面积特别大，比容量比铂黑和钯黑高五倍以上[3]。J.Gamby[4]等对几种不同比表面积的活性炭超级电容器进行测试，其中比表面积最大为2315m2·g的样品得到的比容量最高，达到125F/g，同时发现比表面积和孔结构对活性炭电极的比容量和内阻有很大影响。 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) ℃。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、细孔容积0.7~1.5m3/g、比表面积达1500~3000m2/g的酚醛活性炭纤维[5]，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-ACF)[6]，其密度为0.2~0.8g/m3，且不用任何粘接剂。这种材料的电子导电性远高于活性炭粉末电极，且电容值随活性炭纤维密度的提高而增大，是一种很有前途的电极材料。用这种HD-ACF 制作超级电容器电极[7]，结果表明，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。 炭气凝胶是一种新型轻质纳米级多孔性非晶炭素材料，其孔隙率高达80%~98%，典型孔隙尺寸<50nm，网络胶体颗粒尺寸3~20nm，比表面积高达60~1000m2/g，密度为0.05~0.80g/m3，是一种具有许多优异性能(如导电性、光导性和机械性能等)和广阔的应用前景的新型材料[8]。孟庆函，
如何选择和计算滤波电容--电容使用详述
如何选择和计算滤波电容?--电容使用详述 嵌入式非其他类中的 2009-05-31 17:32 阅读617 评论1 字号：大中小 问：在电路设计过程中,要用电容来进行滤波.有时要用电解电容,有时要陶瓷电容.有时两种均要用到.我想问一下:用电解电容的作用是什么?用普通陶瓷电容的作用是什么?如何计算其容量的???对于电解电容的耐压 又该如何选择确定? 哪些情况用电解电容,哪些情况下用陶瓷电容,哪些情况下两种均要用? ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 答： ----- 滤波电容范围太广了，这里简单说说电源旁路（去藕）电容。 滤波电容的选择要看你是用在局部电源还是全局电源。对局部电源来说就是要起到瞬态供电的作用。为什么要加电容来供电呢？是因为器件对电流的需求随着驱动的需求快速变化（比如DDR controller）,而在高频的范围内讨论，电路的分布参数都要进行考虑。由于分布电感的存在，阻碍了电流的剧烈变化，使得在芯片电源脚上电压降低－－也就是形成了噪声。而且，现在的反馈式电源都有一个反应时间－－也就是要等到电压波动发生了一段时间（通常是ms或者us级）才会做出调整，对于ns 级的电流需求变化来说，这种延迟，也形成了实际的噪声。所以，电容的作用就是要提供一个低感抗（阻抗）的路线，满足电流需 求的快速变化。 基于以上的理论，计算电容量就要按照电容能提供电流变化的能量去计算。选择电容的种类，就需要按照它的寄生电感去考虑－－也就是寄生电感要小于电源路径的分布电感。 具体的说明在很多书上都有。提供一个参考书:high speed digital design ch8.2. ------------------------------ 讨论问题必须从本质上出发。首先，可能都知道电容对直流是起隔离作用的，而电感器的作用则相反。所有的都是基于基本原理的。那这时，电容就有了最常见的两个作用。一是用于极间隔离直流，有人也叫作耦合电容，因为它隔离了直流，但要通过交流信号。直流的通路局限在几级间，这样可以简化工作点很复杂的计算，二是滤波。基本上就是这两种。作为耦合，对电容的数值要求不严，只要其阻抗不要太大，从而对信号衰减过大即可。但对于后者，就要求从滤波器的角度出发来考虑，比如输入端的电源滤波，既要求滤除低频（如有工频引起的）噪声，又要滤除高频噪声，故就需要同时使用大电容和小电容。有人会说，有了大电容，还要小的干什么？这是因为大的电容，由于极板和引脚端大，导致电感也大，故对高频不起作用。而小电容则刚好相反。巨细据此可以确定电容量。而对于耐压，任何时候都必须满足，否则，就会爆炸，即使对于非电解电容，有时不爆炸，其性能也有所下降。讲起来，太多了，先谈这么多。 --------------------- 都是滤波的作用，铝电解电容容量比较大，主要用于虑除低频干扰。容量大约为1mA电流对应2～3μf，如过要求高的时候可以1mA对应5～6μf。无极性电容用于虑除高频信号。单独使用的时候大部分是去藕用的。有时可以与电解电容并联使用。陶瓷电容的高频特性比较好，但是在某个频率（大约是6MHz记不 太清了）是容量下降的很快。 ---------- 电容的寄生电感主要包括内部结构决定的电感和引线电感。电解电容的寄生电感主要由内部结构决定。印象中铝电解电容在20～30k以上就表现除明显的电感特性。钽电容在1MHz左右。陶瓷电容的高频特性就好很多。但是陶瓷电容有压电效应，不适于音频放大电路的输入和输出。 --------------- 这是因为大的电容，由于极板和引脚端大，导致电感也大，故对高频不起作用。而小电容则刚好相反。巨
超级电容器电极材料研究现状及存在问题
功能材料课程报告 指导老师： 学院：材料科学与工程学院专业：材料加工工程 姓名： 学号： 日期: 2012 年7 月13 日
超级电容器电极材料研究现状及存在问题 摘要:电极材料是决定电容器性能的重要因素，高性能电极材料的开发是超级电容器研发的重点。本文主要讨论了超级电容器阳极材料的研究现状及存在问题，这些材料包括：碳材料、贵金属氧化物、导电聚合物和一些其他材料。复合或混合型电极材料可以显著提高超级电容器的综合性能，已经成为超级电容器电极材料发展的主要趋势。 关键词:超级电容器；电极材料；研究现状；存在问题
1电极材料的研究现状 1.1正极材料 目前用作超级电容器电极的材料主要有三类:碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。 1.1.1碳材料碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。碳电极电容器主要是利用储存在电极与电解液界面的双电层能量，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。尽管高比表面的碳材料比表面积越大，容量也越大，但实际利用率并不高，因为多孔碳材料中孔径一般要2nm及以上的空间才能形成双电层，从而进行有效的能量储存。而制备的碳材料往往存在微孔(小于2nm)不足的情况。所以这个系列主要是向着提高有效比表面积和可控微孔孔径(大于2nm)的方向发展。除此之外，碳材料的表面官能团、导电率、表观密度等对电容器性能也有影响[1]。 碳电极电容器其电容的大小和电极的极化电位及电极比表面积大小有关，故可以通过极化电位的升高和增大电极比表面积达到提高电容大小的目的。电极/电解质双电层上可贮存的电量其典型值约为15~40μF·cm-2。选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电容。对理想可极化体系而言，可通过无限提高充电电压而大量储存能量。但是，对于实际体系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制，可通过加大电极比表面积来增加电容值。电容C可由下式给出 C=ε·ε0Ad 式中:ε ε为电导体和内部赫姆霍兹面间区域的相对0为自由空间的绝对介电常数， 介电常数，A为电极表面积，d为导体与内赫姆霍兹面之间的距离。 近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布，并开发出许多不同类型的碳材料，主要有: 多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维、碳气溶胶以及最近才开发的碳纳米管等[2]。 多孔碳材料、活性碳材料和活性碳纤维：这个排列基本代表了碳材料为提高有效比表面积的发展方向。之所以发展为活性碳，主要是在于通过活化处理(如水蒸汽)后，可以增加微孔的数量，增大比表面积，提高活性碳的利用率。这些材料随制作电极工艺的不同先后出现过:活性碳粉与电解液混合制成的糊状电
纳米材料特性
《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？ 答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。 按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移； 磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。 三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的 比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？ 答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。 答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒 T 内。位错与晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 m
超级电容器电极材料——碳纳米管
超级电容器电极材料——碳纳米管碳纳米管(Carbon Nano Tubes,CNTs)是1991年NEC公司的电镜专家Iijima通过高分辨率电子显微镜观察电弧法设备中产生的球状分子时发现的一种管状新型纳米碳材料,如下图所示：理想CNTs是由碳原子形成的石墨烯卷成的无缝?中空的管体,根据管中碳原子层数的不同,CNTs可分为单壁碳纳米管 (Single-walled Nano Tubes SWNTs)和多壁碳纳米管 (Multi-walled Nano Tubes,MWNTs)?CNTs的管径一般为几纳米到几十纳米,长度一般为微米量级,由于CNTs具有较大的长径比,因此可以将其看做准一维的量子线?CNTs因其独特的力学?电子学和化学特性而迅速成为世界范围内的研究热点之一,并在复合增强材料?场发射?分子电子器件和催化剂等众多领域得到了广泛的应用? Niu等首先报道使用催化裂解法生长的直径为8nm的CNTs制备了厚度为25.4μm?比表面积为430m2/g的薄膜电极,在38%的H2SO4水溶液中,获得了49～113F/g的质量比容,而且在频率为 11Hz时,其相角非常接近-90°,并且具有大于8kW/g的高功率? E.Frakcowaik等以钴盐为催化剂,二氧化硅为模板催化裂解乙炔制得比表面积为400m2/g的MWNTs,其比容量达135F/g,而且在高达50Hz的工作频率下,其比容量下降也不大?这说明CNTs的比表面
积利用率?功率特性和频率特性都远优于活性炭?碳纳米管的比容与其结构有直接关系? 江奇娜等研究了MWNTs的结构与其容量之间的关系,结果发现比表面积较大?孔容较大和孔径尽量多的分布在30～40nm区域的CNTs会具有更好的电化学容量性能?从CNTs的外表来看,管径为30～40nm?管长越短?石墨化程度越低的CNTs的容量越大?另外,由于SWNTs通常成束存在,管腔开口率低,形成双电层的有效表面积低,所以MWNTs更适合用做双电层电容器的电极材料?由于CNTs的绝大部分孔径都在2nm以上,而2nm以上的孔非常有利于双电层的形成,所以CNTs电容器具有非常高的比表面积利用率,但由于CNTs的比表面积都很低,一般为100～400m2/g,所以CNTs的比容都较低? 提高CNTs比容的最直接办法是提高其比表面积,采用高速球磨将CNTs打断能在一定程度上提高CNTs的比表面积,进而提高其比容?另外,通过化学氧化或电化学氧化的方法在CNTs表面产生电活性官能团,利用这些表面官能团在充放电过程中产生的赝电容也可以有效提高CNTs的比容?CNTs与金属氧化物或导电聚合物相复合,可以制备同时具有双电层电容和法拉第赝电容的复合型电容器,这种电容器同时具有较高的能量密度和功率密度?马仁志等制备的CNTs-RuO2·xH2O 复合材料的比容高达600F/g,而且基于该复合材料的电化学电容器具有良好的功率特性?
电容补偿柜的电容容量如何计算
电容补偿柜的电容容量如何计算 电容补偿柜的电容容量如何计算?（此文章讲的很透彻，很好的一篇文章）电网中由于有大功率电机的存在，使得其总体呈感性，所以常常在电网中引入大功率无功补偿器（其实就是大电容），使电网近似于纯阻性，Kvar就常用在这作为无功补偿电容器的容量的单位。 补偿电容器：主要用于低压电网提高功率因数，减少线路损耗，改善电能质量 电容器容量的换算公式为（指三相补偿电容器）： Q=√3×U×I ; I＝0.314×C×U/√3 ; C=Q/(0.314×U×U) 上式中Q为补偿容量，单位为(Kvar)，U为额定运行电压，单位为(KV)，I为补偿电流，单位为(A)，C为电容值，单位为(F)。式中0.314＝2πf/1000。 1. 例如：一补偿电容铭牌如下: 型号:BZMJ0.4-10-3 , 3: 三相补偿电容器; 额定电压:0.4KV; 额定容量:10Kvar ; 额定频率:50Hz ; 额定电容:199uF (指总电容器量，即相当于3个电容器的容量)。额定电流:14.4A 代入上面的公式，计算，结果相符合。 2. 200KVA变压器无功补偿柜匹配电容多少最合理? 一般来说,对于电动机类型的功率负荷,补偿量约为40%,对于综合配电变压器,补偿量约为20%. 如果知道未补偿前的功率因数,那么根据公式即可以算出具体的补偿量。 3. 例如：有7.5KW电机12台，5.5KW的电机4台，11KW的电机2台，500型电焊机15台，由于有用电高峰和低谷，在低谷时动力可下降30%，我现在用无功补偿柜里的电容器有4块14Kvar的，6块40Kvar的。据说匹配不合理，怎么样才能匹配合理。另外补偿器的读数在多少时最合适时没有罚款有奖励。 一般来说,配电变压器的无功补偿容量约为变压器容量的20%～40%，对于200KVA的配电变压器,补偿量约为40Kvar～80Kvar。准确计算无功补偿容量比较复杂，且负荷多经常变化，计算出来也无太大意义。一般设计人员以30%来估算，即选取60Kvar为最大补偿容量，也就是安装容量。电容器补的太少，起不到多大作用，需要从网上吸收无功，功率因数会很低，计费的无功电能表要“走字”，记录正向无功；电容器补的太多，要向网上送无功，网上也是不需要的，计费的
超级电容器的研究进展
超级电容器的研究进展
超级电容器的研究进展 摘要：超级电容器是一种新型储能装置，它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。近年来，各种新兴材料 的发展，为超级电容器电极材料的选取提供了更多的选择条件，促进了超级电 容器的快速发展。本文总结了超级电容器的特点，重点介绍了超级电容器的工 作原理、分类以及超级电容器的材料。并简要展望了超级电容器电极材料的发 展方向和前景。 关键词：超级电容器碳电极贵金属氧化物导电聚合物 Abstract: Super capacitor is a new type of energy storage device. It has the characteristics of high power density, short charging time, long service life, good temperature characteristics, energy saving and green environmental protection. In recent years, the development of a variety of new materials, for the selection of the super capacitor electrode materials to provide more options to promote the rapid development of the super capacitor. This paper summarizes the characteristics of the super capacitor, and introduces the working principle of the super capacitor, classification and the material of the super capacitor. And briefly discussed the developing direction of super capacitor electrode materials and prospect. Key words: Super capacitor Carbon electrode Precious metal oxide Conducting polymer 一、引言 超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹（1821～1894）提出的界面双 电层理论基础上的一种全新的电容器，又叫电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电
超级电容选用计算
二、超级电容的主要特点、优缺点 尽管超级电容器能量密度是蓄电池的5%或是更少，但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。相比电池来说,这种超级电容器有以下几点优势： 1.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解液接触的面积大大增加,根据电容量的计算公式,两极板的 表面积越大,则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F,它的出现使普通电容器的容量围骤然跃升了3～4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。 2.充放电寿命很长，可达500000次,或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次;可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A,放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如 此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。 3.可以数十秒到数分钟快速充电，而蓄电池在如此短的时间充满电将是极危险的或是几乎不可能。 4.可以在很宽的温度围正常工作（-40℃～+70℃），而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作;超级电容器用的材料是安全和无毒的,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性;而且,超级电容器可以任意并联使用来增加电容量,如采取均压措施后,还可以串联使用。 因此，可以用简短的词语总结出超级电容的优点： ● 在很小的体积下达到法拉级的电容量； ● 无须特别的充电电路和控制放电电路 ● 和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响； ● 从环保的角度考虑，它是一种绿色能源； ● 超级电容器可焊接，因而不存在象电池接触不牢固等问题。 缺点：
超级电容器材料综述
超级电容器是一种新型的储能装置，具备充放电快、效率高、稳定性好等优点，是一种清洁的绿色能源，是21 世纪的新型绿色能源。超级电容器有很大的市场潜力。通过对超级电容器电极材料进行研究，发现多孔碳材料作为超级电容器电极材料的电化学性能的影响。 目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。 目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。 1、活性炭材料 对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植
物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。是一种已经商品化的超级电容器电极材料。活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。 2、炭气凝胶电极材料 炭气凝胶是一种交联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大，孔隙率高，孔径分布广，是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。密度跨度大，孔隙率好，而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料，同时，在制备的时候，可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度。 3、碳纳米管 碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。从超级电容器对电极材料的要求上看，碳纳米管材料是非常适合用来做电极材料的，因为碳纳米管的结构是空管的形状，表面积大，尤其是壁很薄的碳纳米管，比表面积更大，非常有利于双电层电容的储备。碳纳米管要是制成电极时，还会具备特殊的孔，这些孔是由微观状态下，碳纳米管互相缠绕，好似网状结构，管与管之间就形成了孔洞的结构，孔与孔之间都是互相连通的，没有堵死的情况，这在用作电极的时候，对于电解液的流通的很重要的。而且这种由管径互相缠绕得到的孔不会太小，一般都是属中孔，这会使电极的内阻很低，这些都是超级电容器电极所需要具备的。目前对碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要集中在将它直接用于超级电容器上，或者将
超级电容器电极材料——碳纳米管
超级电容器电极材料——碳纳米管 超级电容器电极材料——碳纳米管 碳纳米管(Carbon Nano Tubes,Ts)是1991年 NEC公司的电镜专家 Iijima通过高分辨率电子显微镜观察电弧法设备中产生的球状分子时发现的一种管状新型纳米碳材料,如下图所示： 理想Ts是由碳原子形成的石墨烯卷成的无缝?中空的管体,根据管中碳原子层数的不同,Ts 可分为单壁碳纳米管 (Single-walled Nano Tubes SWNTs)和多壁碳纳米管 (Multi-walled Nano Tubes,MWNTs)?Ts的管径一般为几纳米到几十纳米,长度一般为微米量级,由于 Ts具有较大的长径比,因此可以将其看做准一维的量子线?Ts因其独特的力学?电子学和化学特性而迅速成为世界范围内的研究热点之一,并在复合增强材料?场发射?分子电子器件和催化剂等众多领域得到了广泛的应用? Niu等首先报道使用催化裂解法生长的直径为8nm的Ts制备了厚度为25.4μm?比表面积为430m2/g的薄膜电极,在38%的H2SO4水溶液中,获得了49～113F/g的质量比容,而且在频率为11Hz时,其相角非常接近-90°,并且具有大于 8kW/g的高功率? E.Frakcowaik等以钴盐为催化剂,二氧化硅为模板催化裂解乙炔制得比表面积为400m2/g 的MWNTs,其比容量达135F/g,而且在高达50Hz的工作频率下,其比容量下降也不大?这说明Ts的比表面 积利用率?功率特性和频率特性都远优于活性炭?碳纳米管的比容与其结构有直接关系? 江奇娜等研究了MWNTs的结构与其容量之间的关系,结果发现比表面积较大?孔容较大和孔径尽量多的分布在30～40nm区域的 Ts会具有更好的电化学容量性能?从Ts的外表来看,管径为30～40nm?管长越短?石墨化程度越低的Ts的容量越大?另外,由于SWNTs通常成束存在,管腔开口率低,形成双电层的有效表面积低,所以MWNTs更适合用做双电层电容器的电极材料?由于Ts的绝大部分孔径都在2nm以上,而2nm以上的孔非常有利于双电层的形成,所以Ts电容器具有非常高的比表面积利用率,但由于Ts的比表面积都很低,一般为100～400m2/g,所以Ts的比容都较低? 提高Ts比容的最直接办法是提高其比表面积,采用高速球磨将Ts打断能在一定程度上提高Ts的比表面积,进而提高其比容?另外,通过化学氧化或电化学氧化的方法在Ts表面产生电活性官能团,利用这些表面官能团在充放电过程中产生的赝电容也可以有效提高Ts的比容?Ts与金属氧化物或导电聚合物相复合,可以制备同时具有双电层电容和法拉第赝电
超级电容器电极材料综述
超级电容器电极材料 超级电容器，作为当下储能研究的一大热点，普遍具有以下优势： 1、快速的充放电特性 2、很高的功率密度 3、优良的循环特性 然而，它的不足完全制约了它的实际应用——能量密度很低。目前，商用的超级电容器可以提供10WhKg-1，而相比之下，锂离子电池的能力密度高达18010WhKg-1。因此，如何能提高超级电容器的能量密度，称为眼下超级电容器研究领域亟待解决的首要问题。学术圈致力于通过开发新的电极材料、电解质、独创的器件设计方案等方法，来实现这一问题的突破。 想要通过更好的电极材料（同时需要价格低廉，环境友好）来实现在超级电容器性能上的重大的进展，需要对电荷储存机理，离子电子的传输路径，电化学活性位点有全面、深远的认识。由此，纳米材料因为其可控的离子扩散距离、电化学活性位点数量的扩大等特点成为研究热门。 根据储能机理的不同，超级电容器可以分为：双电层电容器EDLC，赝电容。EDLC通过物理方法储存电荷——在电解质、电极材料界面上发生可逆的离子吸附。而赝电容通过化学方法储存电荷——在电极表面（几纳米深）发生氧化还原反应。通常，EDLC的电极材料为碳材料，包括活性炭，碳纳米管，石墨烯等。然而赝电容的电极材料包括：金属氧化物（RuO2, MnO2, CoOx, NiO,Fe2O3），导电高分子（PPy，
PANI,Pedot）。 设计一款高性能的超级电容的标准是： 1、很高的比容量 （单位质量的比容量，单位体积的比容量，或者是活性物质的面积） 2、很高的倍率性能 在高的扫速下200mV/s或电流密度下，容量的保持率。 3、很长的循环寿命 另外，活性材料的价格与毒性也需要计入考量。 为了制备高容量的电极材料，上述因素需要进一步讨论。 1、表面积：因为电荷是储存在电容器电极的表面，具有更高表面积的电极可以提高比容量。纳米结构的电极可以很好的提高电极的表面积。 2、电子和离子的导电性：因为比容量、倍率性能是由电子、离子的导电性共同决定，高的离子、电子电导将会很好的维持CV曲线中的矩形图线，以及GCD中充放电曲线的对称性。 同时，这也将减少充电电流增大后的比容量损失。 典型的增加电子电导的方法有： （1）Binder-free electrode design 不实用粘结剂 （2）纳米结构集流体设计——这可以为电子传输的提供高效途径 增加离子电导的方法：
碳纳米管超级电容器的研究进展
收稿日期:2008203231 3基金项目:国家自然科学基金(50372013);高等学校博士学科点专项科研基金(20050562002);广东省自然科学基金(07001769) 作者简介:陈列春(1976— ),男,广西扶绥人,硕士研究生.第2卷 第3期 材 料 研 究 与 应 用 Vo1.2,No.32008年9月 MA TERIAL S RESEARCH AND APPL ICA TION Sept .2008 文章编号:167329981(2008)0320169204 碳纳米管超级电容器的研究进展3 陈列春,张海燕,贺春华,谢 慰 (广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006) 摘 要:综述了碳纳米管超级电容器的研究进展,并介绍了采用碳纳米管作为超级电容器电极材料的优缺点及制备高性能碳纳米管超级电容器的方法.关键词:碳纳米管;超级电容器;电极材料中图分类号:TB383 文献标识码:A 超级电容器(Supercapacitor )也叫电化学电容器[1],作为一种新型储能装置,它具有比容量高、比功率高及循环寿命长等优点,可作为无污染的小型后备电源用于多种电器设备中,同时它可与电池共同组成复合电源为电动车提供动力,近年来其研究受到广泛地关注并得到快速地发展[226].碳纳米管的管径一般为几纳米到几十纳米,长度在几微米至几十微米,其比表面积大、导电性好,是超级电容器的理想电极材料. 1 碳纳米管作为超级电容器的电极 材料 王晓峰等人[7]以NiO/(SiO 2,Al 2O 3)为催化剂,C 3H 6为碳源气体,采用催化裂解法制备了多壁碳 纳米管材料,以泡沫镍为基体制备成电极,将20对该电极与无纺布隔膜一次叠加后制成电容器的内芯,并放入有1mol/L LiClO 4PC 有机电解液的不锈钢内壳中,组装成碳纳米管超级电容器.实验结果表明,在20A 充放电流条件下,70s 内电压从2.5V 下降到0;该超级电容器的电容量为600F ,内阻为2.5m Ω,其比功率和比能量分别为1kW/kg 和0.8W ?h/kg ,即使在100A 的充放电流条件下,超级 电容器的电容量和比能量仍然达到570F 和0.76W ?h/kg. 何春建等人[8]将0.5mm 厚的铝片经除油、化学抛光后,在0.3mol/L 的草酸溶液中用恒电流法进行电化学氧化,再用HgCl 2去除未氧化的铝基底,在50℃条件下用10%的碳酸钠去除多空氧化铝的阻挡层,负载硝酸铁后放入管式炉中,通入体积比为1ζ4的H 2和Ar 还原保护气.以C 2H 2为碳源,先在500℃下保温6h ,再在700℃条件下保温15h ,然后降至室温,最后得到沉积在多孔氧化铝模板 中的有序碳纳米管阵列.将该阵列作为碳纳米管超 级电容器的电极,组装成碳纳米管超级电容器.电容器的电容量为687F/m 2,比一般双电层碳电极电容器的电容量0.2F/m 2大3435倍,说明用于超级电容器中的碳纳米管阵列电极具有非常优异的性能. K.J urewicz 等人[9]将KO H 和多壁碳纳米管按 质量比4ζ1的比例混合,在800℃的高温下对碳纳米管进行90min 的活化处理.结果显示,在7mol/L KO H 电解液中,未经活化的多壁碳纳米管超级电 容器的比容量为4F/g ,而活化后的碳纳米管超级电容器则达到49F/g.在氨水和空气体积比为1ζ3的条件下,将未活化和活化后的碳纳米管分别进行氨水氧化处理.实验结果表明,前者的比容量升高到40F/g ,后者的比容量升高到58F/g.这说明对碳纳 米管进行活化及氨水氧化处理后,碳纳米管上的官
超级电容器材料综述
目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。 目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。 1、活性炭材料 对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达 1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。是一种已经商品化的超级电容器电极材料。活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。 2、炭气凝胶电极材料
炭气凝胶是一种交联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大，孔隙率高，孔径分布广，是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。密度跨度大，孔隙率好，而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料，同时，在制备的时候，可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度。 3、碳纳米管 碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。从超级电容器对电极材料的要求上看，碳纳米管材料是非常适合用来做电极材料的，因为碳纳米管的结构是空管的形状，表面积大，尤其是壁很薄的碳纳米管，比表面积更大，非常有利于双电层电容的储备。碳纳米管要是制成电极时，还会具备特殊的孔，这些孔是由微观状态下，碳纳米管互相缠绕，好似网状结构，管与管之间就形成了孔洞的结构，孔与孔之间都是互相连通的，没有堵死的情况，这在用作电极的时候，对于电解液的流通的很重要的。而且这种由管径互相缠绕得到的孔不会太小，一般都是属中孔，这会使电极的内阻很低，这些都是超级电容器电极所需要具备的。目前对碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要集中在将它直接用于超级电容器上，或者将碳纳米管和别的材料复合用作超级电容器。 4、活性炭纤维 活性炭纤维是一种环保材料，具有比活性炭更加优越的吸附性能，由它得到的高表面积的活性炭纤维布已经成功用于商业化的电极
超级电容器材料综述
超级电容器材料综述 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
超级电容器是一种新型的储能装置，具备充放电快、效率高、稳定性好等优点，是一种清洁的绿色能源，是21 世纪的新型绿色能源。超级电容器有很大的市场潜力。通过对超级电容器电极材料进行研究，发现多孔碳材料作为超级电容器电极材料的电化学性能的影响。 目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。 目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。 1、活性炭材料 对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植物硬壳、石油
3.1 金纳米粒子性质
金纳米粒子性质 1 金纳米粒子类型 不同形状的金纳米粒子对应着不同的应用目的。目前为止，人们已经制备了多种不同形状的金纳米粒子，主要有棒状，球状，壳状，笼状，多面体，星状等，不同形状的金纳米粒子有着自身独特的优势。例如棒状的金纳米粒子具有良好的光热性能，而笼状的金纳米粒子更适合于内部物质的负载等。 根据金纳米粒子的尺寸可以将其分为金纳米团簇及金纳米晶，通常来说，金属粒子具有一定的导电性，而当金纳米粒子的尺寸小于2 nm时，金纳米粒子的性质由原来的金属导电性质变为了绝缘体性质，因此这个尺寸被称为临界尺寸。通过这个临界尺寸可以将金纳米粒子分成两类：尺寸小于2 nm的金纳米粒子，被称为金纳米团簇；而金粒子的粒径尺寸大于2 nm时，通常被称为金纳米晶。 2 金纳米粒子特性 块状的金在通常被认为是惰性金属，而纳米金却显示出了区别于宏观尺寸的高活性。金纳米粒子作为纳米材料中的贵金属纳米粒子的一类，金纳米粒子除了具有纳米材料的普遍特性之外还具有自身独特的性质，主要表现在以下几个方面： 2.1 表面等离子体共振特性 有较高的比表面积，其表面自由电子较多，自由电子受到原子核的正电荷束缚较小，电子云在表面自由运动，当表面的电子云产生相对于核的位移时，来自电子和核之间的库仑引力会产生一个恢复力，从而产生表面电子云的震荡，振荡频率由四个因素决定：电子密度、有效电子质量电荷分布的形状和大小。表面等离子体（surface plasmons），又被称为表面等离子体激元，是由于金属粒子表面的自由电子的集体谐振而产生。当金属纳米粒子被一定波长的光照射后，入射的光子与表面自由电子相互作用，入射的光子与金属表面自由电子耦合后产生的疏密波。当入射光的振动频率与金属粒子表面的自由电子谐振频率相同时产生的共振被称为表面等离子体共振。 金纳米粒子的表面等离子体共振对光子产生的吸收能够使用UV-vis-vis光谱检测，通过不同的吸收峰值反映金纳米粒子的形貌，大小等特性，实心球形的金纳米粒子具有一个单峰，不同尺寸的金纳米粒子具有的峰位不同，而金棒具有两个典型的吸收峰，分别为横向和纵向，而笼状的金粒子的吸收峰也有别于球状和棒状，而即使同为球形金粒子，壳层结构的金粒子的吸收峰也有很大的区别。金纳米粒子的这种表面等离子体共振特性被广泛应用与检测，传
电容器容量计算
电容器容量Kvar(千乏)与电容量uF（微法）怎样换算 无功功率单位为kvar（千乏）。 电功率分为有功功率和无功功率，有功功率就是指电能转化为热能或者机械能等形式被人们使用或消耗的能量，有功功率单位为kw 。 无功功率指电场能和磁场能相互转化的那部分能量，它的存在使电流与电压产生相位偏差，为了区别于有功功率就用了这么个单位。 电网中由于有大功率电机的存在，使得其总体呈感性，所以常常在电网中引入大功率无功补偿器（其实就是大电容），使电网近似于纯阻性，Kva r就常用在这作为无功补偿器的容量的单位。 kvar（千乏）和电容器容量的换算公式为（指三相补偿电容器）： Q=√3×U×I I＝0.314×C×U/√3 C=Q/0.314×U×U 上式中Q为补偿容量，单位为Kvar，U为运行电压，单位为KV，I为补偿电流，单位为A，C为电容值，单位为uF。式中0.314＝2πf/1000。 例如：一补偿电容铭牌如下: 型号:BZMJ0.4-10-3 （3三相补偿电容器）。 额定电压:0.4KV 额定容量:10Kvar · 额定频率:50Hz 额定电容:199uF (指总电容器量，即相当于3个电容器的容量)。 额定电流:14.4A 代入上面的公司，计算，结果基本相付合。 补偿电容器：主要用于低压电网提高功率因数，电少线路损耗，改善电能质量。 BSMJ型补偿电容器，是国家推荐使用的新型节能产品，使用环境应无谐波冲击。最高允许过电流小于1.30倍额定电流。 ASMJ型滤波电容器：拥有BSMJ所有用途以外，可滤除电路中高次谐波，稳定电路质量，保护用电设备，最高允许电流大于2倍额定电流。 单相电动机电容器的容量选择 小型三相异步电动机作单相运行时，所选电容容量一定要合适，若太小则旋转无力，启动困难；太大则回路电流过大，导致电机过热。一般电容容量值选择按表查得。 如果不查表，也可以按经验公式获得： 当星形连接时，所需电容容量C（Μf）＝P（W）／17。 当用作三角形连线时，所选电容容量C（μF）＝P（W）／10。 上式中： C的单位是μF，P的单位是W；
关于超级电容器电极材料性能测试常用的三种电化学手段
循环伏安cyclic voltammetry (CV) 由CV曲线，可以直观的知道大致一下三个方面的信息 ? Voltage window（水系电解液的电位窗口大致在1V左右，有机电解液的电位窗口会在2.5V 左右）关于很多虫虫问，电位窗口应该从具体的哪个电位到哪个电位，这个应该和你的参比电极和测试体系有关。工作站所测试的电位都应该是相对于参比电极的，所以不要纠结于为什么别人的是0-1V，而你测试的是-0.5-0.5V，这个与参比电极的本身电位（相对于氢标的电位）以及测试的体系本身有很大关系。 ?Speci fic capacitance （比电容，这个是超级电容器重要的参数之一，可以利用三种测试手段来计算，我一般都是利用恒电流充放电曲线来计算） ?Cycle life （超级电容器电极材料好坏的另一个比较重要的参数，因为一个很棒的电极材料应该是要做到既要有比较高的比电容又要有比较好的循环稳定性） 测试的时候比较重要的测试参数：扫描速度和电位扫描范围。电位的扫描范围，一般会在一个比较宽的范围扫描一次然后选择电容性能还比较好的区间再进行线性扫描，扫描速度会影响比电容，相同的电极材料相同测试体系扫速越大计算出的比电容会越小。 恒电流充放电galvanostatic charge–discharge (GCD) 由GCD测试曲线，一般可以得到以下几方面的信息： ?the change of specific capacitance（比电容的变化可以从有限多次的恒电流充放电中体现，直观的就是每次充放电曲线的放电时间的变化） ?degree of reversibility(由充放电曲线的对称也可以中看出电极材料充放电的可逆性) ?Cycle life（循环寿命，换句话也就是随着充放电次数的增多，电极材料比电容的保持率）恒电流充放电测试过程中比较重要的测试参数有电流密度，还有充放电反转的电位值。电流密度可以设置为电流/电极面积，也可以设置为电流/活性物质质量。我在测试的过程中一般依据活性物质的质量设置为XXmA/mg。充放电反转的电位值可以依据循环伏安的电位窗口，可以设置为该区间或者小于该区间。 交流阻抗electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 由交流阻抗曲线可以看出体系随着频率改变的变化趋势，得出测试体系某个状态下的包括溶液电阻、扩散阻抗的情况，可以通过测试交流阻抗对测试的未知体系进行电化学元件模拟。关于交流阻抗，谈谈频率和体系元件的响应关系，总的来说，交流阻抗之所以能得到诸多信息，关键在于不同器件本身对于频率的相应不同。Nyquist图中最先响应的总是纯电阻，然后是电容和电化学反应，最后是扩散过程。纯电阻，在电场建立的同时即可响应。交流阻抗的测试过程中会出现两个图：Nyquist图和Bode图，Nyquist图反应的是随着频率的变化虚轴的阻抗值和实轴的阻抗值的变化，Bode图反应的是阻抗的模值随着频率的变化以及相位角随频率的变化。 交流阻抗测试过程中比较重要的设置参数有：交流幅值以及频率范围。交流幅值对于超级电容器一般会选择5mV，频率一般会选择100kHz-10mHz，当然也会有不同体系不同对待，很多文献中会选择测试到0.1Hz就停止了，这样来说根本没有测试低频区体系真正的性能测试就已经停止了。真正反映测试体系的电容性能，漏电性的低频区的直线很重要。当然如果测