[發(fā)明專利]納米碳化硅用于超級電容器電極材料

無效

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• 申請日: 2011-02-11
• 公開（公告）號: CN102637529A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發(fā)明（設計）人: 張澤森;張少波;張洪濤
• 申請（專利權）人: 張澤森;張少波;張洪濤
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01M4/583
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及的是一種超級電容器電極材料，也可用于鋰離子電池電極材料，屬于電化學領域。

背景技術

超級電容器(supercapacity)，又叫電化學電容器，其工作原理是在電極與電解液界面形成空間電荷層(雙電層)，依靠這種電雙層積蓄電荷，實現(xiàn)充放電能。基于德國物理學家亥穆霍茲研究成果。超級電容器新的儲能方式有“法拉第準電容(pseudocapacitance)”儲能等，與普通電解電容器相比，超級電容器的上限容量驟然高3～4個數(shù)量級，達到了數(shù)萬法拉以上的大容量。

超級電容器存儲電荷的方式類似于可充電電池，但比可充電電池(如鎳氫電池、鉛酸電池和鋰離子電池)具有更高的比功率和更長的循環(huán)壽命，其比功率達到千瓦數(shù)量級以上，循環(huán)壽命在10000次以上。從原理上講，幾乎沒有充放電過電壓，工作溫度范圍寬。超級電容器在工業(yè)領域有著極其重要和廣闊的應用前景。工業(yè)發(fā)達國家都給予了高度的重視，并作為國家重點的戰(zhàn)略研究和開發(fā)項目：1996年歐洲共同體制定了電動汽車超級電容器的發(fā)展計劃(Development?of?Supercapacitors?for?Electric?Vehicles)；美國能源部(包括美國軍方)也制定了相應的發(fā)展電化學超級電容器的研究計劃，其近期(1998-2003年)目標要達到500W/Kg的比功率，2003年以后更高的目標是達到1500W/Kg的比功率，循環(huán)使用壽命在10000次以上。現(xiàn)在關鍵的問題是如何提高超級電容器的容量。

電極材料是影響超級電容器容量的決定因素。理想的電極材料要求結晶度高、導電性好、比表面積大、微孔集中在一定的范圍內(要求微孔大于2nm)。現(xiàn)有的電雙層電容器電極材料主要有：活性炭系列和過渡金屬氧化物系列。以活性炭為電極材料的雙電層電容器的研究是從1954年Beck發(fā)表的相關專利開始的。滿足要求的碳材料有活性碳粉末、活性碳纖維、碳氣溶膠、網絡結構活性炭以及某些有機物的炭化產物等。到目前為止，得到的比表面積最大的活性炭比表面積可超過2000m²/g。但是比表面積大，并不意味著由其構成的電容器的容量就大。因為與容量大小直接相關的是電極材料的有效比表面積，雖然現(xiàn)在找到的活性炭的比表面積有2000m²/g，但其實際利用率不超過30％，因為小于2nm的微孔是不能形成電雙層的。就現(xiàn)有的活性炭電極材料來看，其單電極的容量沒有超過200F/g。但是納米碳化硅材料作為電極材料還未聽說。納米碳化硅具有比表面積大，剛性，彈性模量高等優(yōu)點，同時其表面易形成非晶態(tài)，不飽和懸掛鍵(如＝C、-Si、-COOH等)，可以產生“法拉第準電容”現(xiàn)象，有準電容現(xiàn)象所產生的電容量往往可以是由純粹的電雙層現(xiàn)象產生的電容量的10-100倍以上，從而大大提高超級電容器的電容量。

正是為了充分利用準電容原理，提高電雙層電容器的容量，經科學家的不斷探索，發(fā)現(xiàn)過渡金屬氧化物作為電極材料具有良好的效果。如：RuO₂、RuO₂·XH₂O、MoO_x、VO_x、TiO₂等。其中效果最好的是由T.R.JOW研究的RuO₂·XH₂O電極材料，其單電極的電容量可達到720F/g。在活性電極中加入導電乙炔后，會使材料的大電流放電性能大大改善，功率密度可達到100KW/Kg，且可在-52～73℃的范圍內連續(xù)充放電60000次以上。可以說是目前效果最好的制作超級電容器的電極材料。但它有一個致命的弱點，就是成本太高，無法推廣使用。所以人們開始尋找其他的過渡金屬氧化物作電極材料，但到目前還沒有多大進展。

導電聚合物用于電容器基于其具有良好的導電性、內阻小、比容量大等優(yōu)點，一般為活性炭的2～3倍。導電聚合物電極的電化學電容器的電容，主要來自于法拉第準電容。其作用機理是電極上的高分子聚合物膜發(fā)生快速的n型或p型摻雜或去氧化還原反應，使聚合物達到很高的法拉第容量來存儲能量。由于聚合物缺乏骨干支撐作用，在電容器沖放過程中，應力導致聚合物極片塌陷，使聚合物超級電容器循環(huán)壽命降低。

納米碳化硅的出現(xiàn)為超級電容器的開發(fā)提供了新的機遇。

納米碳化硅是就是上世紀90年代初發(fā)現(xiàn)的一種納米級線狀狀閃鋅礦型結構一維材料，直徑幾納米到150納米，線長幾微米到幾十微米。納米碳化硅比表面積大，結晶度高，導電性好，長徑比可通過合成工藝加以控制，可使比表面利用率達到100％，因而有可能成為一種理想的超級電容器電極材料。