超级电容器用活性炭国产化关键化学与化工问题

超级电容器具有功率密度高、循环寿命长和安全可靠等优点,在电动汽车、轨道交通、新能源、电磁弹射和激光武器等领域已广泛应用。然而,作为超级电容器的关键电极材料——活性炭,始终未实现国产化,一直依赖从日本和韩国进口,极大地制约了国内超级电容器及其下游产业的发展。本文综述了超级电容器用活性炭的理化性能对其电化学性能的影响,介绍了国内外超级电容器用活性炭产业现状,指出了其生产过程中制约产品品质的典型传质和传热等化工问题。文章提出,应在现有活性炭基础上建立全面合理的超级电容器用活性炭指标体系,从而指导其国产化工艺开发。针对其生产工艺和装备开展仿真模拟研究,以解决国产炭材料批次稳定性和一致性的问题,保障超级电容器行业关键材料自主可控。     

燃料电池用炭纤维纸前驱体的匀度表征与控制

探讨了湿法制备炭纤维纸过程中抄造条件对纸体匀度的影响,发现分散剂加入量过多和过少都会损害纸体的匀度;浆液停留时间的增加会造成纸体匀度变差.同时使用基于灰度共生矩阵的纹理分析方法详细讨论了炭纤维在浆液中的絮凝动力学,结果表明随着时间的增加絮凝体数目增多,体积变大;分析各个方向上纸体的纹理,发现浆液的波动和涡流也会造成纸体内部的纤维分布不均匀,从而使得纸体面内不均.     

石墨烯改性聚丙烯腈基多孔炭用于高倍率性能超级电容器（英文）

作为一种富氮碳源,聚丙烯腈历来被作为生产炭材料的重要原料。但是聚丙烯腈直接炭化会导致其烧结不利于后续深度活化。通过干法球磨石墨烯和聚丙烯腈复合原料,结合稳定化和KOH活化,制备了杂化多孔炭,并系统研究了石墨烯和聚丙烯腈配比及后活化处理对杂化多孔炭性能的影响。结果表明：石墨烯的存在有利于高能球磨过程中热量地快速扩散,有效避免了聚丙烯腈的烧结;而聚丙烯腈进一步抑制了石墨烯片层的团聚,使石墨烯/聚丙烯腈复合前驱体呈现蓬松的粉体结构,利于碱的深度活化。同时,石墨烯在多孔炭结构中形成的三维柔性导电网络便于电荷地快速转移。由于其发达的孔、大的比表面积、优异的导电性以及氮/氧杂原子诱导的赝电容,所制备的杂化多孔炭用作超级电容器电极材料时,在水系和有机系电解液中均表现出了优异的电化学性能。尤其是,优化的HPC-4复合炭材料用作超级电容器的电极时,在1 mol/L四乙基四氟硼酸铵有机电解液中,当功率密度为337.5 W/kg时,能量密度可达30.38 W?h/kg。该工作为面向高功率兼高能量超级电容器电极材料的开发提供了一种简易且高效的制备策略。     

不同导电添加剂的协同效应对高功率锂离子电池性能的影响(英文)

讨论了两种具有形貌代表性的导电添加剂:球形的炭黑(SP)和纤维状的气相生长炭纤维(VGCF)对锂离子电池性能的影响。结果表明,使用SP作为导电剂的电池容量高于使用VGCF的电池,SP可有效地协助锂离子电池容量性能的发挥。同时,前者在较高电流放电条件下的倍率性能也明显优于后者。当分别将50%质量分数的两种添加剂组成复合导电剂时,在相同添加量条件下,所得复合导电剂的性能优于单独使用的炭黑导电剂,电池表现出更高容量性能和更好的倍率性能。这是由于SP和VGCF不同的形貌结构使两种导电添加剂表现出了良好的协同效应,从而使电池性能获得进一步提高。使用更高容量的商用化10 Ah和50 Ah电池进一步验证以上结论。     

石墨烯/炭黑杂化材料:新型、高效锂离子电池二元导电剂

采用CTAB为表面活性剂将氧化石墨烯和炭黑均匀分散,经水热过程将二者组装到一起,进而高温热处理得到石墨烯/炭黑杂化材料。该材料是一种具有独特结构和良好性能的石墨烯/炭黑杂化材料作为锂离子电池二元导电剂。炭黑颗粒均匀分布在石墨烯表面,可防止石墨烯片层团聚并进一步提高电子导电效率。由于炭黑可增加对电解液的吸附,促进电极内部锂离子的传输过程,最终提高锂离子电池的倍率性能。结果表明,使用质量分数5%900℃热处理之后的二元导电剂的LiFePO4,在10C时比容量为73mAh/g,优于使用10%炭黑导电剂时的LiFePO4(10C比容量为62mAh/g)。按照整个电极质量计算,前者的比容量性能比后者提高了近25%,同时在循环性能方面,前者的稳定性也优于后者。     

石墨烯在锂系二次电池中的应用:进展与展望

能源危机和环境污染不断加剧,开发绿色、高效的电化学储能器件迫在眉睫。由于锂具有很高的能量密度,锂系二次电池包括锂离子电池、锂硫电池和锂空电池等得到广泛研究和快速发展;而碳基材料是锂系二次电池重要的电极材料和关键组分。石墨烯是"至柔至薄"的碳基材料,良好的力学、热学、电学性能以及高比表面积和柔性片状的结构特征使其在锂系二次电池中展示出很大的应用潜力;作为其它sp2杂化碳基材料的基本结构单元,石墨烯的出现也为构建高性能的新型碳电极材料提供了契机。评述了不同结构形貌的石墨烯基材料在锂系二次电池中的研究进展,并对目前存在的问题和下一步的工作方向进行了分析与展望。     

烟煤衍生炭材料的炭化机制及其在锂/钠离子电池中的应用（英文）

近年来，人们对利用低温炭化工艺制备煤基无定形炭材料作为锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(SIBs)的负极材料产生了兴趣。然而，煤衍生炭材料的炭化机制仍然不太清楚。因此，本文选取烟煤为原料，探究了煤炭到无定形炭材料的化学、微晶和孔隙结构演变过程。随着温度的升高(低于1 000℃)，材料结构发生局部变化，碳层的迁移和小分子物质的释放导致了层间距(3.69-3.82?)和缺陷密度(1.26-1.90)逐渐增大，并且产生了丰富的纳米微孔结构。当温度升至1000～1600°C时，层间距和缺陷密度开始逐渐减小。在LIBs中，经1 000°C炭化制备的样品表现出最佳的电化学性能。在0.1C倍率测试下可逆容量达到384 mAh g^–1，在5 C倍率下仍能保持170 mAh g^–1，表现出优异的倍率性能。在SIBs中，经1 200°C炭化制备的样品在0.1 C倍率测试下具有270.1 mAh g^–1的可逆容量和高达86.8%的首次库伦效率。本研究为煤基炭材料的精细化制备提供了理论支撑。     

石墨烯在电化学储能过程中理论研究进展

本文对目前石墨烯在电化学储能过程中理论计算的研究进行系统整理,从石墨烯材料电子结构特征出发,对其在超级电容器、锂离子电池和氧还原过程中石墨烯起的作用进行综述,详细讨论了石墨烯在以上不同电化学环境中与物质的相互作用机制,为新型石墨烯基电化学储能器件的研究提供理论基础和研究思路。     

炭纤维长度和排布对炭纸孔隙结构的影响研究

使用二维网络模型和计算机图像处理技术探讨了炭纤维长度及排布对其堆积形成的孔隙结构的影响.结果表明,随着炭纤维长度的增加,孔径分布变宽,孔径平均值和标准偏差增加,孔隙率匀度先变差然后在纤维长度达到一定程度后增加;随炭纤维在平面内X、Y方向排布差别增加,孔径分布及平均孔径和孔径标准偏差基本不变,但孔隙率匀度变差.因而,为了制备满足质子交换膜燃料电池传质要求的炭纤维纸,在满足其它参数要求的条件下,纤维长度应尽可能长,并且应尽量保证在平面内各方向均匀排布.