NanoST 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: NanoST
标  题: 碳纳米材料在能源方面的应用(1)
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Sat May 14 20:25:41 2005)

发信站: 饮水思源 (2005年05月13日22:05:25 星期五), 站内信件

碳纳米材料在能源方面的应用

                                  ----------------cnt

★What can you derive from my presentation?

燃料电池、锂离子电池及超级电容器的工作原理、特点和应用
传统材料遇到的问题
碳纳米材料在上述器件中的应用
碳纳米材料应用中的优缺点及解决办法

★碳纳米材料

纳米孔石墨
纳米孔无定形碳
碳纳米纤维
碳60
碳纳米管
碳纳米笼
碳纳米球
……

★图片

★能源应用

◎燃料电池
◎锂离子电池
◎超级电容器
◎储氢

★燃料电池★

★燃料电池概念
燃料电池是一个将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学系统.

★分类

碱性燃料电池alkaline fuel cell , AFC；
磷酸燃料电池(phos-phoric acid fuel cell , PAFC）；
熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell , MCFC) ；
固体氧化物燃料电池( solid oxide fuel cell , SOFC) ；
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell , PEMFC) ；

直接醇类燃料电池(direct alcohol fuel cell , DAFC)

★PEMFC特点

能量密度高、运行温度低、启动时间短、可靠性高、无污染等

★PEMFC关键材料
电催化剂
电极
质子交换膜
双极板

★燃料电池关键技术问题
成本问题
氢源问题

★催化剂载体要求

适宜的电极催化剂载体则应具备良好的导电性能、较大的比表面积、合理的孔结构
(具有较多的中孔比例,满足反应气体及气体产物的传质) 以及优异的抗腐蚀性等特点

★最常用载体

从催化剂成本和寿命等实际应用角度考虑，最常用的载体为炭黑材料，包括乙炔黑
、Vulcan XC272R及Ketjen黑。

★新近研究的热点

碳纳米管及其衍生纳米材料具有独特的管状结构和由连续的sp2 杂化提供的独特的
电子特性,使其与表面负载的金属活性相产生一种特殊的载体/金属相互作用
碳纳米分子筛规整的中孔孔道结构有利于反应物及产物的传质,从而提高催化剂的比
活性,因此成为多相催化研究领域的一个热点

★举例

采用高纯石墨电弧放电法制备出多壁碳纳米管(管径为4～60 nm) 作为载体, 利用调
变的乙二醇法制备出均匀高分散的Pt/ CNT 阴极催化剂,平均粒径为2.5 nm , 其直接甲醇
燃
料电
池性能比以XC272 为载体的催化剂的单池性能提高43 % 。
应用Pt/ SWNH 和Pt2Ru/ SWNH分别为阴极和阳极催化剂的DMFC 输出功率较以XC272
 为载体时的输出功率显著提高。

★关键问题

铂颗粒大小的控制
沉积铂的均匀性问题

★应用

目前,NEC和Hitachi 公司均宣称采用新型的碳纳米材料作为其公司开发的DMFC 原型
机电极催化剂载体,显示出该项研究潜在的实际应用价值.
国内技术成熟的纳米活性碳纤维电池,主要用于电动汽车,电动摩托,电动助力车上.
该种电池可充电循环1000次,连续使用达10年左右,一次充电只需20分钟左右,平路行程达4
00
km,重量
在128kg,已经超越美日等国的电池汽车水平.它们生产的镍氢电池充电约需6-8小时,平路行

程3
00km.
通用燃料电池概念车Hy-wire
高存储量的氢气储存系统
本田燃料电池概念车“KIWAMI”

★需要解决的问题

有关新型碳材料负载贵金属催化剂活性提高的机理有待深入阐明.
碳纳米材料的制备成本较高,必须研发出新的廉价的生产路线,降低成本,才可能应用
于商品化燃料电池.
碳纳米材料与电极制备脱离.

待续……
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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: NanoST
标  题: 碳纳米材料在能源方面的应用(2)
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Sat May 14 20:26:07 2005)

发信站: 饮水思源 (2005年05月13日22:07:10 星期五), 站内信件



★锂离子电池★

★诞生

　锂离子电池是近10 年来发展起来的一种新型电池,电池的工作过程仅仅是锂离子
从一个电极(脱嵌)进入另一个电极(嵌入) 的过程.
1990 年,日本索尼公司率先研制成功了锂离子电池,这使锂离子电池的研究进入了实
用化阶段,由此开创了广阔的前景.

★原理

锂离子电池组成：阳极（负极）、阴极（正极）、电解液

★特点

1.高的能量密度
2.高的工作电压
3.无记忆效应
4.循环寿命长
5.无污染
6.重量轻
7.自放电小

★应用

广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等电器设备上. 在电动汽车、卫星
、航天航空以及空间军事等领域也显示出了良好的应用前景和潜在的经济效益.

Toshiba has developed a lithium-ion battery for use with laptops and oth
er devices, that charges in only minute and loses less than 1% of its memory a
ft
er 1000 c
harges.

★

锂离子电池能够成功应用的关键在于嵌入与脱出可逆的锂离子负极材料的制备.
对负极材料的要求：
负极材料应具备容量大、充放电循环特性良好、放电电压平稳、不可逆容量损失小
及对电解液稳定等性能

★负极材料的发展

金属锂
碳材料：石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等
典型金属材料如Si 、Sn、Ge 、Pb 等
纳米金属氧化物
碳纳米管

★碳纳米管作为负极材料的优缺点
优点：

较好的循环性能和较高的嵌锂容量。由于纳米碳管的管径仅为纳米尺寸,因而管子之
间相互交错的缝隙也是纳米级,锂离子不仅可以嵌入到管内的管径和管芯,而且可以嵌入到
管
间的
缝隙中,从而为锂离子提供的嵌入空间很大,有利于提高锂离子电池的嵌锂容量.

缺点：

初次充放电效率很低。这主要是因为纳米碳管最内层的孔径比较大(约为5 nm) ,电
解液可以进入内部还原,从而加大了第一次循环的不可逆容量损失. 纳米碳管电极产生不可

逆容量损
失的情况还有可能是SEI 膜、氧基团反应、纳米碳管内部缺陷使插入的锂离子难以脱出造
成
的.

★改进

掺杂处理
对纳米碳管进行表面改性，如镀金属或非金属及金属氧化物处理,可以大大提高材料
的充放电性能.实验研究表明纳米碳管/ CuO 材料具有较高的可逆容量, 充放电效率可提高

到55 %
以上

待续……
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标  题: 碳纳米材料在能源方面的应用(3)
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Sat May 14 20:26:32 2005)

发信站: 饮水思源 (2005年05月13日22:08:15 星期五), 站内信件



★超级电容器★

★超级电容器分类
electric double-layer capacitors (EDLC)
redox supercapacitors.（法拉第电容器）

★电双层电容器原理

电极间距离
电极表面积
C=εS/(4πkd)
双电层原理
充放电过程为物理过程而非化学反应，因而性能稳定

★主要特点

电容量大；
充放电寿命很长；
可以提供很高的放电电流；
可以数十秒到数分钟内快速充电；
在很宽的温度范围内正常工作；
安全、无毒 。

★电化学双电层电容性能影响因素

电极材料的：
表面积
孔径分布
电化学稳定性
电导率

★电极材料

碳纳米管作为一种新型的纳米材料，由于其独特的中空结构和纳米尺寸，其巨大的
比表面积和良好的导电性，碳纳米管被认为是超级电容器的理想候选材料。
美国德克萨斯大学达拉斯分校纳米科技研究所的Ray H. Baughman领导的实验小组以
单层碳纳米管（SWCNT）为主要成分纺线、并用这种线织成了布。接着，研究人员以这种布

为材
料制作了超级电容器，并证实这种超级电容器与市售最高级品具有相同性能。

                                                         -------2003年6月
12号 《nature》

★用途

ECs 可以作为大功率脉冲电源, 能大电流瞬时充放电, 在数据记忆存储系统、便携
式仪器设备、后备电源、通讯设备、计算机、电焊机、充磁机、闪光灯、燃料电池、电动
车
混合电
源等许多领域都有广泛的应用前景。
超级电容器与蓄电池并联应用可以提高机车的启动性能

★研究重点

用不同类型的CN T s 作电极材料, 电化学性能与其比表面积、形态、微观结构、孔
径分布、石墨化程度、表面化学组成、杂质含量、掺杂组分的量等因素有关, 也与CN T s

的处理
工艺、电解质种类、电解液浸润电极材料的程度、电极制备工艺及电极大小等因素有关。


★今后应从以下几方面提高CN T s 电极材料的电化学性能:

改进CN T s 制备工艺, 利用合成技术制备出满足一定要求的特殊结构与形态的CN
T s;
提高CN T s 的双电层效应和法拉第假电容效应, 对CN T s 进行后处理, 包括纯化
、活化、改性、截短、表面修饰、分散等, 增大比表面积、改善孔分布、打开端口、增加
官
能团、
将不同组分间均匀复合, 这将是今后工作的一个重点;
改进CN T s 电极的制备工艺, 降低ECs 内阻, 提高电化学性能。

(完)
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