描述了含有活化碳纤维的纤维质材料及它们的制备方法。同时公开了含有该纤维质材料的电极。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及含活化碳纤维的纤维M^料及其制备方法。该活化碳纤维可应用于包含活性碳材料的各种装置，所述的装置包括但荆頃限于多种电化学装置(例如，电容器、电池、燃料电池等等)、氢存M^置、过滤装置、催化基质，，。
技术介绍
双电层电容器的设计依赖于非常大的电极表面积，其通常通过在集电器上涂敷"纳米级粗糙"的金属氧化物或活性碳来制成，其中集电器由良导体例如铝或铜箔制备，并通过来自导电的电解质盐的离子的物理分离来将电荷储存到被称做亥姆霍兹(Helmholtz)层的区域。该亥姆霍兹层，其在超过电极表面的几个A上形成，典型地相当于离表面的头两个或三个分子。在EDLC中没有显著的物理电介质，取而代之地由电磁决定的亥姆霍兹层提供。尽管如此，电容还是基于跨越电场的物理电荷分离。因为电池的每个面在其表面储存有数量相等但极性相反的离子电荷，同时在它们之间的电解质(但是超过了亥姆霍兹层)被损耗并有效的变成了传统的电容器的反性板，因此该技术即被称为双电层电容。电极由多孔的薄膜隔离物所物理隔离，类似于电解电容器或锂离子电池。目前的EDLC具有的频率响应(反应曲线或RC)常数为毫秒至lj秒。然而，商业的EDLC (有时被叫做超级电容器)目前非常昂贵，而且应用于例如混合动力汽车时能量密度不足，其主要地替代应用在软故P章存储备份的消费电子中。普遍接受的EDLC碳表面孔隙的尺寸，对于含水电解质来说应该至少大约为l-2nm，对于有机电解质来说大约为2-3nm，从而容纳相应的电解质离子的溶剂化球，从而为气 L提供可获得的亥姆霍兹层电容表面积。为了暴露和润湿电解质，气孑L应该开口到表面，而非封闭的或在内部。同时，刚刚超过临界尺寸的全部开放气孑L越多越好，因为这样可以最大限度地增加总表面积。实质上，更大的孔隙是不受欢迎的，因为它们会使总有效表面积相对减少。其它的研究显示，当平均 L径从大约4nm增加到大约20nm时是可以增加电容的。使用在如此ELDC装置上的传统活性碳具有许多电化学没有用的微孔(即，按照IUPAC的定义小于2nm)。为了形成亥M兹层，孑L径大小必须近似电解质离子的溶剂化球，或者更大一些。对于有机电解质，这些孔理想地要大于3到4nm。在报导有最高电化学活化的碳的文献中，实际领糧的EDLC要比理论上小20%,这是由于次优的孑L径分布，其中对电容没有贡献的微孔占有较大的比例(代表性地超过三分之一或一半)以及大孔(取决于活化度)比例的增长减少了总表面积。相反，除了由于碳粒子制成的电极材料的形成而引起的损失之外，由前wi板材料控制的具有理想孔径和形状的某些模板化碳显示出与理论值f，的电容。通过充分地增加碳的有效面积可以优化性能，且同时可以达到更大的电容和降低/ (需要使用较少的材料)。主要来说，存在两种增加电容的方式。第一种方式为提高有效的碳表面积。IUPAC关于纳米技术的定义对于有机电解质的尺寸特征的传统之见具有潜在的帮助微孑匕2nm、中孔是〉2和^50 nm、以及大孔〉50nm。传统的目标通常即为优化中孔的表面积。第二种方式为充分利用存在的碳表面来形成电极材料。由于成本和密度的原因，活性碳粉末通常在集电器的金属薄片上堆积一定的深度，代表性地为50到150货tt。为了最大化表面积，粉末颗粒需要随机ilW可能紧密地堆积。通常通过研磨来达到，不规则的形状的粒径分布在几个增长的倍数之间(KurarayBP20公布的是5到20微米，或根据Maxwell的6643119专利3到30微米且d50为8^XO，以便小一些的颗禾碟填在^粒之间。技术上这些是随机多分散的填料。堆积密度多少可以fflil尺寸分布的皿来调整。细粉料减少了空,体积的孔隙度。这些材料的空隙通常被认为比根据IUPAC定义的大孔AH个数量级，虽然从技术上来说也落入其中。为了消除讨论中的术语混乱，微米级的材料空隙被称为材料孔隙(材料 L隙度)，从而与碳粒子上或内部的纳米级表面气孔区别。在上下文中引入本征电容的概念和术语压实损失是非常有用的。本征电容是当完全双层时总有效碳表面积的理想电容。与理想接近的尺寸为"碳亥姆霍兹容量，或pF/cm2的CH。 Kinoshita在Carbon Electrochemical and Physical Properties02^)中编选了很多关于CH测量值的报告；更近来的论文所确定的有机电介质的范围在3到20之间。传统之见为暴S^边缘的石墨晶胞的定向可以解释这些差异。大多数(不一定都)的这些CH测量值，是根据电容的三电极参考测量值或BET表面积估算测量的，因此都包括两者的压实损失和由于BET方法所引入的任何表面积测量的误差。令人惊讶地是，因为很多活性碳表面包含了实质上对有机电解质的电容没有贡献的微孔，所以在不同的碳所观察到的一些i，变化来自于形成的电极材料的材料孔隙。压实损失(compaction loss)为碳的本征电容和传统的某种形式的电极的比电容之间的差异(F/g， F/cc，或者％)，该电极用在工业中的度量。工业专家推测压实损失在低于大约30%到高于80%的范围。对于给定的材料，实际数字也将会随着电极的厚度而改变。压实损失来源于至少五个分离现象。首先，不同尺寸粒子的无规则堆砌，导致非常大变化的材料空隙。这些空隙在最好的情况下为长的和曲折的，在最坏的情况下通过随机的限制(未润湿的表面)彻底与电解质隔绝。任何小于大约6nm的限制-很容易地在不规则皿的内i^粒的连接处增大从数十纳米到几货妹的直径-可以展示出导致完全地堆砌，因此一旦电荷置于该设备上时，其将被临近的溶剂化电解质离子阻塞。因此不可能有进一步的质量迁移或电解质扩散。最近的研究惊人地展示出由相当比例的典型活性碳事实上是由活化生产的微粒的凝聚。 一项研究结果显示它们平均小于100nm，但是群集(由于范德华力)到或柴饰'微米大小的大粒子。其结果为由于不可能有更多的质量迁移到该区域，因此限制区域耗尽了离子。该区域的表面利用不足。第二对于更多的表面堆砌较小的碳粒子到材料的空隙导致将电解质从材料里面移动出来，增加了超越电极表面的离子导电性禾顿散移的需要，例如从分离器区域。在更坏的的情况下这限制了有效电容。在最好的情况下，其增加了 RC和令人所不期望地延缓了装置的频率响应。第三，更多的小粒子增加了横向边界颗粒的数目，电荷必须从该边界流入电极。所不期望地减少了电极的传导率，所不期望地增加了它的ESR，因此增加了它的RC。第四，为了克服由于许多小颗粒所弓l起的传导率的问题，通常加入一定比例的对有效表面积没有贡献的导电碳粒子。第五，为了将如此多分散的精细不规则颗粒结合在一起，通常加入一定比例的粘结剂，例如对有效表面积没有贡献的pfte。科学文南炒; 报导的实验电极，具有差不多10%的碳导体和粘结齐啲每一个，这意味着只有80%的电极物质能够对实际的电容表面积起贡献作用。使得EDLC盼鹏撮大化是合乎需要的。专利技术简要本专利技术人己经发现，通常从具有大体上类似的直径和长径比a的活化碳纤维碎片所形成的纤维质材料可以提高EDLC的性能。在另一方面，本专利技术人已经发现，利用纤维质材料也可以提高EDLC的性能，该纤维质材料由下列物质的混合物形成(a) 50到95+%的第一活化碳纤维碎片群和(b)第二碳纤维碎片群，其本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无纺纤维质材料，其包含具有大体上类似的长度和直径的活化碳纤维碎片，其中碳纤维碎片的长径比平均大约在１到２０之间。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：拉迪亚德莱尔伊斯特万，
申请(专利权)人：拉迪亚德莱尔伊斯特万，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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