超级电容器研究展望——范壮军教授专访

超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的储能装置,它既具有电容器快速充放电的特性,同时又具有电池的储能特性。但与传统电容器相比,超级电容器具有更大的比电容、更高的能量密度、更长的使用寿命等特点,而与电池相比,超级电容器又具有更高的功率密度、长寿命及绿色环保等优点。国家把超级电容器关键材料及其器件设计列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006–2020年)》和《国家"十一五"科学技术发展规划》。

石墨烯纳米片/CoS_2复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

采用一步水热法制备石墨烯纳米片(GNS)/CoS2复合材料,利用XRD和SEM对所制备复合材料的微观结构进行表征,采用循环伏安法和交流阻抗法对复合材料的电化学性能进行研究。研究结果表明,在水热过程中,氧化石墨(GO)逐渐被还原成石墨烯纳米片(GNS),能够为CoS2晶核的形成提供更多的接触点,有利于CoS2颗粒均匀地生长在GNS表面。这种结构的复合材料既能够显著增加CoS2和电解液之间的有效接触面积,提高CoS2的电化学利用率,同时又能够改善材料的导电性,有利于提高材料的比电容。

碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料吸波性能的研究

考察了碳纳米管的介电常数、磁导率以及碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料的电磁吸波性能。研究结果表明,碳纳米管介电常数值远大于磁导率值,且电损耗远大于磁损耗,说明碳纳米管是一种电损耗型吸波介质。通过弓形法测定了碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料在2～18GHz范围内的电磁波吸收性能,结果表明,复合材料在5～18GHz范围内具有较好的微波吸收性能。

纳米石墨片在有机溶剂中的分散工艺研究

采用超声分散法制备了稳定的纳米石墨片有机溶剂分散液。考察了多种分散剂、分散剂含量以及树脂含量和超声时间对纳米石墨片分散效果的影响,并用扫描电镜及光学显微镜研究纳米石墨片在有机溶剂中的分散状态。实验结果表明;加入不同分散剂得到的纳米石墨片分散液稳定性有很大差别,D isperbyk-163是比较理想的分散剂。纳米石墨片分散液的稳定性随着分散剂含量的增加先升高后降低,随着树脂含量的增加及超声时间的延长而升高。

陶瓷/石墨复合材料的制备及高温氧化性能

通过热压法制备了陶瓷/石墨复合材料。采用热分析仪考察了复合材料在1400℃～1600℃温度范围内的抗氧化行为;利用扫描电镜分析样品在1400℃和1600℃恒温氧化后的表面形貌。结果表明;陶瓷/石墨复合材料在1400℃氧化时有优良的自愈合抗氧化性能。在1600℃氧化时,对于粘度较高的样品来说,氧化新形成的玻璃膜可以弥补挥发形成的表面孔道,仍能形成均匀的、连续的玻璃膜覆盖在基体表面,从而有效地抑制氧气的进入。

纳米石墨片/炭黑/氯醋树脂复合导电膜的制备及性能研究

以氯醋树脂P(VC-Co-VAc)为基体,采用原位还原萃取分散技术制备了纳米石墨片复合导电膜,通过与炭黑填料的对比,考察了导电填料的几何形状以及两相导电填料之间的协同作用对复合膜导电性能的影响。结果表明:纳米石墨片在基体中分散良好,其复合膜的导电性能明显优于炭黑导电膜;当纳米石墨片和炭黑的体积比为4∶6时,二者的协同作用最佳,其导电性明显优于相同含量下的单相填料复合导电膜。

以天然石墨为原料制备纳米石墨片在有机溶剂中的分散液

以天然石墨为原料,采用球磨法制备纳米石墨片在有机溶剂中的分散液。考察了球磨时间、不同分散剂和分散剂含量以及树脂含量对纳米石墨片分散效果的影响。研究发现以天然石墨为原料,采用球磨工艺可以制备直径为5μm,厚度小于30nm的纳米石墨片。纳米石墨片分散液的稳定性随着球磨时间的延长、分散剂的增加先增大后减小;随着树脂含量的增加先显著增加,达到最高之后,略有降低。

卤化物固态电解质研究进展与展望

全固态锂金属电池具有安全性能好、能量密度高等优势,被认为是下一代高性能高安全储能电池技术的发展方向。开发先进的固态电解质是实现全固态锂电池发展的关键,卤化物固态电解质具有高室温离子电导率、宽电化学窗口及良好的正极界面稳定性等优势,受到了相关学者的广泛关注。概述了卤化物固态电解质的分类、制备方法及离子传输机制,较为深入地阐述了其湿度稳定性及界面稳定性问题,归纳了目前所采用的解决策略及在全固态锂金属电池中实际的应用,并提出了卤化物固态电解质现阶段面临的挑战和未来发展方向,这将有助于推动卤化物固态电解质的进一步发展。

碳纳米管和炭黑在橡胶体系增强的协同效应

分别以碳纳米管、炭黑以及碳纳米管和炭黑复合体作为橡胶补强剂,在开炼机上进行混炼加工制得橡胶复合材料。实验结果表明:与炭黑补强橡胶体系相比,碳纳米管能够提高橡胶复合材料弹性模量、定伸应力、耐磨和导电性能,但复合材料的拉伸强度、撕裂强度、伸长率,黏度以及加工性能都较差;而以碳纳米管和炭黑混合物作为复合补强剂,通过二者的协同补强效应,形成真正意义的"葡萄串"结构,整体地提高了橡胶复合材料的性能。当碳纳米管和炭黑的质量比为1∶4时,制备的橡胶复合材料抗撕裂强度(78.4kN/m)、硬度(68)以及磨耗(0.122cm3/km)性能都优于相同含量炭黑橡胶体系;与相同含量的碳纳米管橡胶体系相比,伸长率(470%)和黏度(65Pa.s)均大大改进。碳纳米管的加入使橡胶复合材料具有优良的动态力学性能,在低滚动滞后性和抗疲劳损失的轮胎胎面胶方面将有潜在的实用价值。

不同结构碳纳米管的电磁波吸收性能研究

研究了单壁、多壁碳纳米管(聚团状、阵列状)以及未纯化与纯化后碳纳米管在2～18GHz范围内的电磁波吸收性能.通过测定不同结构碳纳米管粉体的介电常数以及磁导率,得到损耗因子及衰减常数大小顺序为:阵列状多壁碳纳米管>原生聚团状多壁碳纳米管>纯化聚团状多壁碳纳米管>原生单壁碳纳米管>纯化后单壁碳纳米管.相比多壁碳纳米管,单壁碳纳米管衰减常数随频率变化较小,且具有较宽的吸收峰.模拟计算和实验测试结果都表明,碳纳米管/聚合物复合材料具有优良的电磁吸波性能.

椰壳炭制备高表面活性炭活化方法比较

以海南产椰壳炭和越南产椰壳炭为原料,探讨多种活化方法对活性炭结构的影响.900℃下气相氧化、铁催化氧化均得到比表面高于2200m2g的活性炭.磷酸钾催化氧化制备的活性炭,微孔较少,比表面达2300m2g.越南椰壳炭的炭化程度低,KOH值接活化的产品微孔较少,中孔较多,比表面较低.用KOH活化海南椰壳炭,得到微孔发达的活性炭,中孔较多,但经过进一步炭化以后再用KOH活化,比表面积可以提高.KOH活化的收率高于气相氧化法.500℃下用磷酸、氯化锌活化越南炭化料,孔结构没有显著的变化.测定25℃下甲烷在活性炭样品上的吸附,表明甲烷吸附量随活性炭微孔比表面积的增大而增加.

以天然石墨为原料制备高性能材料的研究

以天然石墨为原料 ,进行多组元掺杂制备了SiC -B4 C -ZrC/C复合材料。研究了ZrO2 的加入量对材料性能的影响。实验结果表明 :加入少量的 (小于 8% )ZrO2 ,石墨材料的力学性能和电学性能明显得到提高 ;而继续添加ZrO2 ,石墨材料的力学性能和电学性能则有所下降。

含Zr多组元掺杂石墨材料的性能研究

以天然石墨为原料 ,通过热压工艺 ,制备了含Zr多组元掺杂石墨材料。研究了掺杂元素对材料性能的影响。实验结果表明 :随着Zr含量增加 ,基体石墨的强度、导电和导热性成线性增加 ;但是过量的ZrO2 会消耗基体炭原子 ,生成金属Zr蒸汽逸出基体 ,形成孔隙和缺陷 ,导致材料的性能下降 ,因此应控制ZrO2 的加入量。另外 ,采用SEM、XRD等分析手段研究了材料微观结构 。

球磨时间对硼掺杂石墨材料抗氧化行为的影响

通过球磨分散方法制备了掺杂细颗粒碳化硼石墨材料。采用热分析仪考察了经不同球磨时间制备的复合材料在室温至1400℃温度范围内的抗氧化行为;利用扫描电镜分析了样品在800℃和1000℃恒温氧化后的表面形貌。研究结果表明:经球磨50h制备的细颗粒碳化硼掺杂石墨材料在1000℃氧化时,有优良的自愈合抗氧化性能。其抗氧化机理为:均匀分散的细颗粒B4C可以在氧化时迅速形成连续的、均匀的保护膜覆盖在基体表面,从而有效地抑制氧气进入和基体反应。

细颗粒B_4C—SiC/C复合材料的抗氧化性能

用球磨分散方法制备了细颗粒B_4C-SiC/C石墨复合材料,采用热分析仪测量了材料在800、1200和1400℃下的抗氧化行为,用扫描电镜观测了氧化样品的表面形貌。结果表明:细颗粒B_4C-SiC/C石墨复合材料氧化后有优良的自愈合抗氧化性能,因为均匀分散的细颗粒陶瓷粒子可以迅速形成保护膜覆盖在基体表面,有效地抑制基体进一步氧化。

天然石墨/陶瓷复合材料的制备及其性能

为了拓展天然石墨的应用领域,通过热压工艺,在天然石墨中掺杂B、Si和Zr陶瓷组元,制备了天然石墨/陶瓷复合材料,利用SEM、XRD等分析手段研究了材料微观结构,并探讨了掺杂组元以及天然石墨颗粒大小对材料性能的影响.结果表明:掺杂Zr可有效地提高石墨材料的热导率,B的加入可有效地提高石墨材料的力学性能,而Si的加入可加速Zr对石墨材料的催化石墨化;随着天然石墨粒径的增加,制得石墨材料的热导率也随之增加,其中,以粒径为13μm的天然石墨制得的材料强度和密度为最优.

细颗粒掺杂石墨高温热导率的研究

通过球磨分散方法制备了具有优良热机械性能的细颗粒掺杂石墨.该掺杂石墨材料具有致密的结构,细小的碳化物颗粒均匀分布在石墨基体中.研究表明;球磨分散方法制备的掺杂石墨比常规方法制备的石墨材料具有更优良的高温热性能以及抗热震性能.同时,本文对材料的性能与其微观结构进行关联.

耐热酚醛树脂基活性炭的制备及其超级电容器性能研究

活性炭因其大比表面积和低成本的优势,被广泛应用于超级电容器电极材料中。然而在活性炭的制备过程中,前驱体往往需要进行预炭化/氧化等处理以增强其热稳定性,这将会提高制备成本和工艺复杂性,不利于实际应用需求。为解决这一问题,本工作利用具有高度交联结构的耐热酚醛树脂为前驱体,通过一步活化法制备具有超高比表面及优异导电性的活性炭电极材料。最佳碱炭质量比为3∶1时所制备的活性炭比表面积高达2656m2·g^(-1)。在6 mol·L^(-1)KOH电解液中测试了活性炭电极的电容储能性能,1 A·g^(-1)时其比容量高达305.5F·g^(-1),在50A·g^(-1)的超大电流密度下电容保持率有63.8%,远高于目前商业活性炭水平。另外,其在高质量负载量下仍具有优异的容量、倍率、循环性能,表现出巨大的应用潜质。

水性体系中有机颜料分散的影响因素

综述了水性体系中有机颜料的分散机理，从颜料粒子聚集形态和表面性质、分散剂的结构、体系ＰＨ值及电解质的加入等几个方面，讨论了颜料在水性体系中分散的影响因素。

超级电容器概述

超级电容器是一种新型的绿色储能装置,具有功率密度高、循环寿命长、充放电速度快、可靠性高、绿色环保等特性,在移动通讯、航空航天、电动汽车和国防等领域有着巨大的应用潜力。近年来,随着超级电容器研究的不断深入、相关技术产业的快速发展,其应用领域正在不断的扩展、市场前景十分广阔1,2。电极材料是超级电容器的关键所在,它决定着该储能器件的主要性能指标.