超級電容器的研究課件

超級電容器的研究目錄一、概述二、分類三、有關(guān)碳材料的研究四、性能與碳材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系五、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢超級電容器(Supercapacitors)，又名電化學(xué)電容器(ElectrochemicalCapacitors)，雙電層電容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)，是上世紀七、八十年代發(fā)展起來的一種新型的儲能裝置是一種具備高能量密度的電化學(xué)電容器。一、超級電容器的概述超級電容結(jié)構(gòu)如圖

1）雙電層電容—基于電解液中離子和電極表面之間的靜電吸引而產(chǎn)生的雙電層電容，例如采用碳基材料作為電極材料。

2）法拉第贗電容—基于電極表面的活性物質(zhì)發(fā)生的快速可逆氧化還原反應(yīng)或者法拉第電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)而產(chǎn)生的法拉第贗電容,例如采用金屬氧化物或者導(dǎo)電聚合物作為電極材料。1.超級電容器的儲能機理

雙電層原理示意圖2.性能特點

—介于電池和物理電容器之間

性能

鉛酸電池

超級電容器

普通電容器充電時間 1-5小時0.3-若干秒

10-3—10-6秒放電時間 0.3-3小時0.3-若干秒

10-3—10-6秒

比能Wh/kg

30-401-20

<0.1 循環(huán)壽命

300

>10000

>100000

比功率W/kg

<300>1000

<100000

充放電效率

0.7-0.850.85-0.98

>0.95

表1鉛酸電池、超級電容器和普通電容器的性能對比二、超級電容器的分類1.按原理分：雙電層型超級電容和贗電容型超級電容器。1)雙電層型超級電容器包括：活性炭（粉、纖維）電極材料、碳氣凝膠電極材料、碳納米管電極材料、石墨烯電極材料超級電容器。

2)贗電容型超級電容器(1)金屬氧化物材料貴金屬氧化物材料—RuO2：無定型RuO2擁有更高的電導(dǎo)率，更高的比電容，更高的電化學(xué)可逆性。替代RuO2的廉價金屬氧化物材料—MnO2和NiO。(2)導(dǎo)電聚合物材料

聚苯胺(PANI)、聚吡(PPy)和聚噻吩(PTh)他們的一些相關(guān)衍生物。優(yōu)點：

價格低廉、對環(huán)境友好、高導(dǎo)電率、高度可逆以及活性可控。納米尺寸導(dǎo)電聚合物1、活性炭（AC）電極材料性能特點：表面積較高，孔徑可調(diào)，可批量生產(chǎn)，價格低廉。三、碳材料超級電容器的性能特點碳纖維2、碳氣凝膠電極材料優(yōu)點：比表面積高，密度變化范圍廣，結(jié)構(gòu)可調(diào)。

制備方法如上圖所示3、碳納米管(CNT)電極材料：單壁納米管和多壁納米管特點：高導(dǎo)電率，比功率高，比表面積小，成本高。四、超級電容器性能與碳材料

結(jié)構(gòu)的關(guān)系1、比表面積

理論上講，比表面積越大，其容量也越大，但比表面積大，通常只會提高質(zhì)量比容量，而更重要的體積比容量會降低，而且材料導(dǎo)電性也差。2、孔徑分布

孔徑越大，電化學(xué)吸附速度越快，即使在比表面積和總電容量相對低的情況下也可在大電流下傳遞更多的能量。3、表面官能團

主要通過兩種途徑：

1）改變表面的潤濕性能

2）官能團自身發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)

從制備高容量、耐高壓、穩(wěn)定性好的電容器角度出發(fā)

,要求活性炭材料表面的官能團有一個合適的比例。4、微晶結(jié)構(gòu)

對超級電容器來說,中孔比例大一些比較好中孔碳材料的方法主要有三種:1）催化活化法2）混合聚合物炭化法3）模板炭化法太陽能警示燈，航標燈等太陽能產(chǎn)品中代替充電電池。手搖發(fā)電手電筒等小型充電產(chǎn)品中代替充電電池。電動玩具電動機、語音IC、LED發(fā)光器等小功率電器的驅(qū)動電源。

2、發(fā)展歷史：早在1879年，Helmholz

發(fā)現(xiàn)了雙層電容性質(zhì)，提出了雙電層的概念。1957年Bcker首先提出了可以將較小的電容器用做儲能器件,其具有接近于電池的比能量。1968年標準石油公司Sohio首先提出了利用高比表面積碳材料制作雙層電容器的專利，并將該專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓給NEC公司，NEC公司在1979年開始生產(chǎn)超級電容器用于電動汽車的啟動系統(tǒng)。幾乎同時，松下公司研究了以活性炭為電極材料，以有機溶液為電解質(zhì)的超級電容器，此后超級電容器開始大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。

3、發(fā)展趨勢：提高性能、降低成本是超級電容器發(fā)展的主旋律。從超級電容器的發(fā)展歷史來看，電容器雖然能夠提供高功率，但電容器不能像電池一樣提供高的重量能量比