面向电动车辆的碳材料双层电容系统应用技术

目前已有许多关于石墨基面边缘区域和粉末材料的双层电容实质性的研究工作。然而，电容值在不同溶液中的差异却很大，对于普通热解石墨的基面（抛光面），在0.9 mol/dm3的NaF溶液中，表现出16～60 µF/cm2的电容量，而在0.5 mol/dm3的KCl溶液中，相同的表面可以得到60 µF/cm2的电容量。尽管如此，据报道，对于解理基面（易于清洗），同样在0.5 mol/dm3的KCl溶液中，只得到12 µF/cm2的电容值。对于应力退火处理的热解石墨，若采用H2SO4、NaF、NaOH溶液去除表面膜层的方式，可以得到20 µF/cm2的电容值，如果用抛光边缘平面区域的方式，可以得到50～70 µF/cm2较高的电容值。

炭黑体的电容值为4.5～10 µF/cm2，活性炭的电容值为10～15 µF/cm2，石墨的电容值为4.5～10 µF/cm2，而“石墨织物”TGM 285只显现出1～3 µF/cm2的低电容值。上述结果也可能是由测试样品实际表面积的不确定因素，或是由于在织物制备过程中表面出现了非极性有机物的污染引起的。对于粉末材料的比表面电容值，这里由每平方厘米的形式给出，而实际上由每克的形式给出，这导致了“真实表面积”的不可靠性。因此，由此导出的“每平方厘米有多少电容”也并不可信，其取决于对细孔面积和预处理的估算。其次要明确测试电势的范围（对于pzc）。对于pzc势，有些材料加上充分的正负电压后会导致电容的差值达到两倍，如Hg。

通常，碳所做实验的质量以及实验条件并未得到严格的控制。其次，碳并不像Hg或Au那样有理想的极化表面，碳表面易发生氧化反应，并且很可能在阴极极化时产生夹层。因而，碳和电解液界面的电化学特征，比起金属，特别是稀有金属和水银，就更加复杂。

Soffer和Folman制得了高表面积多孔碳电极，可以直接测量离子从溶液向碳电极的界面输运时对碳电极所充的电量，因而可以控制溶液中电导率的变化。实验使用2 g具有500 m2/g比表面积的碳材料作为电极，实现了双层电容值为10 μF/cm2，研究表明，电极每吸收l mmol离子，就会使电势改变1 V（他们后来把这一现象发展为从基体溶液中选择性地去除离子）。

在Soffer等人的实验研究中，双层电容和微孔碳电极的充电速度对超级电容器来说很重要。通过使用线性扫描伏安法，观察到了离子被0.37 nm的微孔所吸收的情况。溶液在直径小于0.7 nm的孔中的电导率，要远远小于与多孔碳电极外界面自由接触的溶液电导率。高度氧化的微孔碳材料，在正极化时的双层电容值，要远远小于无孔碳表面所形成的电容值。这是由于离子在耗尽自身含水层后，会穿透小孔（如溶解的Li+）进入TiS2或C的夹层中，形成高离子浓度的阳极。因此，如果NaCl溶液被0.l mol/L的LiCl溶液所取代，那么微孔碳电极双层电容的充电速度就会极大减小。表面化学吸附的氧的偶极矩，被认为是和电极阳离子相互排斥产生的。(www.xing528.com)

一些碳材料的电导率相对较低，碳材料会表现出明显的半导体特性。在这种情况下，由于碳材料内部的载流子浓度（电荷密度）分布，碳材料和溶液边界处会形成空间电荷。对普通的半导体来说，空间电荷的形成会造成电极电势下降，空间电荷的效果可以等效为一个空间电荷电容Csc。而Csc的行为与上述所说的在边界形成的离子扩散层电容相似，但介电常数较小。对于空间电荷的处理方式，可以采用Gouy−Chapman方法，其中引用了Poisson−Boltzmann方程。

Csc与其他组分电容有着一定的影响。当Csc值较小时，其对总体电容影响较大，因为通常石墨材料不会显现出半导体特性，它的自由电子密度很大，类似于金属材料。尽管如此，仍有实验表明，对双层电容器进行测试，发现石墨基面仍然有半导性。

石墨晶体在三维方向不具备对称性，导致在晶面处和边缘区域处，作为石墨晶体电势函数的阴离子吸收出现明显差异。当然，在石墨粉末的制备过程中，这种性质上的差异会不均匀地分布，从而引起表面性能和界面电化学性的非均一化。