超级电容器的研究

1、超级电容器的研究,目 录,一、概述 二、分类 三、有关碳材料的研究 四、性能与碳材料结构的关系 五、应用领域和发展趋势,超级电容器(supercapacitors)，又名电化学电容器(electrochemical capacitors)，双电层电容器(electrical doule-layer capacitor)，是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置是一种具备高能量密度的电化学电容器。,一、超级电容器的概述,超级电容结构如图,各种超级电容器,1）双电层电容基于电解液中离子和电极表面之间的静电吸引而产生的双电层电容，例如采用碳基材料作为电极材料。 2）法拉第赝电容基于电极表面的

2、活性物质发生的快速可逆氧化还原反应或者法拉第电荷转移反应而产生的法拉第赝电容,例如采用金属氧化物或者导电聚合物作为电极材料。,1. 超级电容器的储能机理,双电层原理示意图,2. 性能特点 介于电池和物理电容器之间,性 能 铅酸电池 超级电容器 普通电容器 充电时间 1-5小时 0.3-若干秒 10-310-6秒 放电时间 0.3-3小时 0.3-若干秒 10-310-6秒 比能wh/kg 30- 40 1- 20 10000 100000 比功率w/kg 1000 0.95,表1 铅酸电池、超级电容器和普通电容器的性能对比,3. 超级电容器优缺点,优点： 高功率密度：输出功率密度高达数kw/k

3、g,一般蓄电池的数十倍； 极长的充放电循环寿命：循环寿命可达万次以上； 非常短的充放电时间：0.1-30s即可完成； 温度特性好：工作温度范围宽； 节约能源； 绿色环保。 缺点： 如果使用不当会造成电解质泄漏等现象； 和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。,二、超级电容器的分类,1. 按原理分：双电层型超级电容和赝电容型超级电容器。 1) 双电层型超级电容器 包括：活性炭（粉、纤维）电极材料、碳气凝胶电极材料、碳纳米管电极材料、石墨烯电极材料超级电容器。,2) 赝电容型超级电容器 (1) 金属氧化物材料 贵金属氧化物材料 ruo2：无定型ruo2拥有更高的电导率，更高的比电容

4、，更高的电化学可逆性。 替代ruo2的廉价金属氧化物材料mno2和nio。,(2) 导电聚合物材料 聚苯胺(pani)、聚吡(ppy)和聚噻吩(pth) 他们的一些相关衍生物。 优点： 价格低廉、对环境友好、高导电率、高度可逆以及活性可控。,纳米尺寸导电聚合物,2. 按电解质类型分类,1) 水性电解质 酸性电解质：36的h2so4水溶液 碱性电解质：koh、naoh等强碱 中性电解质：kcl、nacl等盐 2) 有机电解质 liclo4为典型代表的锂盐 teabf4作为典型代表的季胺盐 3) 液体电解质超级电容器 4) 固体电解质超级电容器,1、活性炭（ac）电极材料 性能特点：表面积较高，孔

5、径可调，可批量生产，价格低廉。,三、碳材料超级电容器的性能特点,碳纤维,2、碳气凝胶电极材料 优点：比表面积高，密度变化范围广，结构可调。,制备方法如上图所示,3、碳纳米管(cnt)电极材料：单壁纳米管和多壁 纳米管 特点：高导电率，比功率高，比表面积小，成本高。,4、石墨烯电极材料 特点：导电率较高，化学性能稳定，机械强度较高，阻抗较小。,四、超级电容器性能与碳材料 结构的关系,1、比表面积 理论上讲，比表面积越大，其容量也越大，但比 表面积大，通常只会提高质量比容量，而更重要 的体积比容量会降低，而且材料导电性也差。 2、孔径分布 孔径越大，电化学吸附速度越快，即使在比表面积和总电容量相对

6、低的情况下也可在大电流下传递更多的能量。,3、表面官能团 主要通过两种途径： 1）改变表面的润湿性能 2）官能团自身发生可逆的氧化还原反应 从制备高容量、耐高压、稳定性好的电容器角度出发 , 要求活性炭材料表面的官能团有一个合适的比例。,4、微晶结构 对超级电容器来说,中孔比例大一些比较好 中孔碳材料的方法主要有三种: 1）催化活化法 2）混合聚合物炭化法 3）模板炭化法,五、应用领域和发展趋势,1、应用领域： 税控机、税控加油机、真空开关、智能表、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳电话等的时钟芯片、静态随机存贮器、数据传输系统等微小电流供电的后备电源。 智

7、能表作电磁阀的启动电源 。,太阳能警示灯，航标灯等太阳能产品中代替充电电池。 手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池。 电动玩具电动机、语音ic、led发光器等小功率电器的驱动电源。,2、发展历史：,早在1879年，helmholz 发现了双层电容性质，提出了双电层的概念。 1957年bcker首先提出了可以将较小的电容器用做储能器件,其具有接近于电池的比能量。 1968年标准石油公司sohio首先提出了利用高比表面积碳材料制作双层电容器的专利，并将该专利技术转让给nec公司，nec公司在1979年开始生产超级电容器用于电动汽车的启动系统。 几乎同时，松下公司研究了以活性炭为电极材料，以有机溶液为电解质的超级电容器，此后超级电容器开始大规模的产业化。,3、发展趋势： 提高性能、降低成本是超级电容器发展的主旋律。 从超级电容器的发展历史来看，电容器虽然能够提供高功率，但电容器不能像电池一样提供高的重量能量比，期