Elektrodenmaterial aus Superkondensator - Doppelschichtmaterial

2019-12-16

als eine der Kernkomponenten des Superkondensators, Die Leistung des Elektrodenmaterials bestimmt direkt die Gesamtleistung des Geräts. Elektrodenmaterialien sind hauptsächlich unterteilt in Doppelschicht und Pseudokondensatormaterialien.


Die Hauptmaterialien für den Doppelschicht-Superkondensator sind Materialien auf Kohlenstoffbasis, einschließlich Aktivkohle und Nanokohle , Graphen und so weiter. Materialien auf Kohlenstoffbasis haben niedrige Kosten, hohe Stabilität und hohe Leitfähigkeit. Darüber hinaus ist aufgrund des Mechanismus der doppelten elektrischen Energiespeicherung der physikalischen Adsorption ihre Leistungsdichte sehr hoch und der Ausgangsstrom kann mehrere hundert Ampere erreichen (die Ausgangsspannung beträgt etwa 3 V). Hochleistungswerkstoffe auf Kohlenstoffbasis sind daher nach wie vor einer der Brennpunkte der wissenschaftlichen Forschung und kommerziellen Anwendung. Bei herkömmlichen Materialien auf Kohlenstoffbasis findet die Adsorption von Elektrolytionen nur an der Oberfläche der Elektrode während des Ladens statt, während die internen Materialien häufig nicht vollständig ausgenutzt werden. Darüber hinaus ist die physikalische Adsorption selbst begrenzt, so dass die Energiedichte solcher Elektrodenmaterialien häufig sehr gering ist.

activated carbon for supercapacitor
nano carbon for supercapacitor
graphene for supercapacitor
Aktivkohle
Nanokohlenstoff
Graphen


das Superkondensator besteht aus Aktivkohle als Elektrodenmaterial und li 2 so 4 als Elektrolyt. Wenn die Ausgangsleistung 200 W / kg beträgt, beträgt die Energiedichte 16,9 Wh / kg. Wenn die Ausgangsleistungsdichte auf 4 kW / kg erhöht wird, verringert sich die Energiedichte auf 8,4 Wh / kg. Die Schlüsselfaktoren zur Verbesserung der Energiedichte von Materialien auf Kohlenstoffbasis sind die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche, die Verbesserung der Porengrößenverteilung, die Anpassung der Partikelgröße und die Modifizierung des Oberflächenzustands. Ein hochgeordnetes mesoporöses Kohlenstoffmaterial mit hoher spezifischer Oberfläche, einstellbarer Porengröße und funktioneller Oberfläche wurde unter Verwendung von mesoporösem 3d-Siliciumdioxid mit unterschiedlicher Porengröße als Vorlage und abgelaufenem kohlensäurehaltigem Getränk als Kohlenstoffquelle synthetisiert. Das Material hat hervorragende Eigenschaften wie eine hohe spezifische Oberfläche (1400-1810 m) 2 / g, großes Porenvolumen (1,45-2,81 cm) 3 / g) und einstellbare Porengröße (3,5-5,2 nm). Die Elektrode wird mit einem Strom von 1 A / g hergestellt. Die höchste spezifische Kapazität beträgt 284 f / g bei Dichte.


Die poröse Kohlenstoff-Nanofolie mit dreidimensionaler Gerüststruktur wurde unter Verwendung von Yuqian als Kohlenstoffquelle hergestellt. Die spezifische Kapazität des Materials in Koh-Elektrolyt beträgt 470 f / g und die Energiedichte beträgt etwa 11 wh / kg. Fünf Arten von Abfalltee wurden bei hoher Temperatur verkohlt und dann durch Koh-Lösung aktiviert. Man erhielt eine Art amorphe Aktivkohle mit einer spezifischen Oberfläche von 2245-2481 m² / g. unter verwendung dieses materials als elektrode und koh als elektrolyt betrug die spezifische kapazität des superkondensators bis zu 330 f / g bei einer stromdichte von 1 a / g und die zyklusstabilität war ausgezeichnet. Carbon Nanotubes (cnts) sind eine Art nahtloses hohles röhrenförmiges Kohlenstoffmaterial im Nanomaßstab, das als gekräuselter Graphit angesehen werden kann und in einwandige Carbon Nanotubes (swcnts) und mehrwandige Carbon Nanotubes (mwcnts) unterteilt werden kann. Kohlenstoffnanoröhren gelten aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und ihres Porendurchmessers von mehr als 2 nm als ideales Elektrodenmaterial für Superkondensatoren. Zusätzlich zum Ende sollten fast alle Kohlenstoffatome in den idealen Kohlenstoffnanoröhren in Form von Sechsecken gebunden sein. Viele Fünfecke und Sechsecke werden jedoch in die Massenproduktion eingeführt, was die Leistung stark verringert, und es kommt zu einer Selbstentladung und einem Agglomerationsphänomen, nachdem die Elektrode hergestellt wurde. Die übliche Lösung besteht darin, die Oberfläche des cnt-Elektrodenmaterials zu aktivieren, um dessen Hydrophilie zu verbessern, oder es mit Metalloxidmaterial zusammenzusetzen, um die Mängel auszugleichen. mwcnts wird als Elektrode zur Bildung eines Superkondensators verwendet, die spezifische Kapazität beträgt 62,9 f / g bei einer Stromdichte von 1 a / g, und die spezifische Kapazität der Verbundelektrode mos 2 / mwcnts wird nach dem Mischen mit Molybdändisulfid stark auf 452,7 f / g erhöht .


Graphen ist auch in Superkondensatoren weit verbreitet. Graphen ist ein einschichtiges zweidimensionales Material mit einer theoretischen spezifischen Oberfläche von 2630 m 2 / g, hohe Stabilität, spezifische Kapazität von mehr als 200 f / g, hervorragende Leistungseigenschaften und Zyklenstabilität. Eine Art hochdichter Graphen-Dünnfilm (hdgf) wurde hergestellt, indem einfach der hitzereduzierte Graphenoxid-Dünnfilm in kleine Stücke zerkleinert wurde. Diese Art von Graphen-Dünnfilm unterbrach die Kontinuität des Graphen-Dünnfilms unter Beibehaltung seiner kompakten Struktur und realisierte eine hohe Packungsdichte und eine schnelle Ionen- und Elektronentransmission. Der hergestellte HDGF hat gleichzeitig eine hohe massenspezifische Kapazität (237 f / g) und eine volumenspezifische Kapazität (261 f / cm3) ein nd ausgezeichnete Zyklusstabilität von 98% Anfangskapazität nach 10000 Zyklen.


Tatsächlich ist kohlenstoffbasiertes Material ein ausgezeichnetes aktives Material für jede Art von Superkondensator. jedoch, Es gibt immer noch einige Mängel von Superkondensatoren auf Kohlenstoffbasis basierend auf der obigen Diskussion :

1. niedrige spezifische Kapazität

2. niedrige Energiedichte

3. geringe Selektivität.

Der erste Mangel wird normalerweise durch die geringe Oberflächenauslastung und die ungleichmäßige Porenverteilung von Materialien auf Kohlenstoffbasis verursacht. Zu den gebräuchlichen Lösungen gehören die flexible Auswahl der Kohlenstoffquelle, die ausgeklügelte Gestaltung der Prozessroute, die sinnvolle Verwendung von Schablonen und anderen Methoden sowie die Entwicklung neuer Materialien auf Kohlenstoffbasis mit einer einzigartigen Oberflächenmorphologie, einheitlichen Poren, guter Dispersion und einem hohen Grad an Elektrolytinfiltration.


Das zweite Problem kann durch die Entwicklung neuer Materialien zur Vergrößerung der spezifischen Kapazität, die Auswahl eines geeigneten Elektrolyten zur Vergrößerung des Potentialfensters und die Herstellung eines asymmetrischen Superkondensators mit Pseudokondensatormaterialien verbessert werden.

Der dritte Nachteil ist, dass es im Vergleich zu Pseudokondensatormaterialien weniger Arten von Materialien auf Kohlenstoffbasis gibt. Die Lösung besteht darin, den Materialverbund zu realisieren und unterschiedliche Materialsysteme je nach Situation flexibel zu entwickeln, indem die Vorteile verschiedener Materialien genutzt werden.

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