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活性炭與超級電容器

來源：韓研活性炭網(wǎng) 作者：韓研活性炭網(wǎng) 2017-05-16

　　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。活性炭可以從具有高炭含量的許多不同材料中得到，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，韓研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。一個典型的現(xiàn)成的超級電容器的基礎(chǔ)上活性炭和有機液體電解質(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。

　　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，因為它由一對平行板電極組成，但不同之處在于兩個電極被電解質(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，正電荷收集在一個電極上，負電荷收集在另一個電極上。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)的電場強度為每千瓦數(shù)千伏，

　　充電超級電容器的一個電極中雙層形成和電勢分布的圖示。

　　雙層機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電容器具有穩(wěn)定性和快速存儲和釋放電荷的機制，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)動機的冷啟動，雷達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)電機執(zhí)行器中的計算機存儲器模塊和變槳控制系統(tǒng)的備用電源。

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