超级电容器发展与机遇

Graphite + Li+ + e-
～ 0. 01 V （石墨）
LiFePO4
Cathode
1. 能量密度
• Cell Voltage （电压) • Electrode Capacity （容量）
(number of electrons/ions)
2. 功率密度
• Electron Transport Rate • Ion Diffusion Rate
1. Science, 1537 (2011); 332 2. Nat. Commun. 5:4554 (2014) 3. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 2256−2259 4. Nano Lett., 2008, 8 (10), pp 3498–3502 5. Nano letter 2010 10 4863-4868
电压：
2.7
2 V
（有机体系）
能量密度 5-9 Wh/kg
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Specific capacity (mAh g-1)
源自文库离子电池工作原理
discharge
Carbon black Carbon black
Anode
Graphite-Li
Li+ + e- + FePO4
C C C Cathode
Anode
功率密度 P = U 2 / 4R
电极容量:
S C ε ε0 r
d
双电层电容器的储能限制（电压）
5
电解质氧化降解区间
4
正
负
3
双电层电容器
极
（EDLC）
极
Potential / vs. Li/Li+
2
阴离子 阳离子
1
电解质还原降解区间
活性炭
E

1
活性炭
CU 2
P =U2 / 4R S
C ε ε0 r d
总容量（C） 受限于正极容量 活性炭 ～ 100 F/g
需要：高比表面积，高比电容量，高电压稳定性，高导电性材料
石墨烯—超级电容器新机遇
石墨烯结构
碳材料家族一员; 二维蜂巢状晶格; 可形成多孔结构; 可形成掺杂/缺陷结构。
目前已知强度最高、最轻的材料
Rinaldo Raccichini . Nature Mater. 2014.
石墨烯—超级电容器新机遇
石墨烯材料作为超级电容材料的优势：
高理论比表面积，可达 2675 m2g-1 超高的电子导率，可达 106 S cm-1 优异的化学稳定性及机械强度
(高能量密度) (高功率密度) (循环稳定性)
石墨烯基超级电容器电荷储存机制
Novoselov, K. S. Nature. 2012 Rinaldo Raccichini . Nature Mater. 2014.
研究报道的石墨烯基超级电容器
材料
活化石墨烯1 多孔石墨烯 2 石墨烯纳米纤维3 介孔石墨烯4 改性石墨烯5
方法
电解液 (操作电压)
充放电时间 循环寿命 能量密度 (Wh/kg) 功率密度 (kW/kg)
循环效率 (%)
锂电池
~ 分钟 < 5, 000 @ 1C
100 to 265 0.3 to 1.5
50% ~ 90%
超级电容器
~秒 > 500, 000
5-9
5-10
> 98%
3
电化学储能器件的特性和应用
微电子
电动汽车
电网储能
氧化石墨烯活化 氧化石墨烯还原
CVD方法 氧化石墨还原法 氧化石墨还原法
离子液体EMIMBF4 (3.5 V)
EMIMBF4/AN (3.5 V)
EMIBF4 (4V)
EMIMBF4 (4V)
Et4NBF4/AN (2.5 V)
能量密度 基于材料 (Wh/kg)
98 127 103.5 86 21.5
TAIYO YUDEN Cylinder 25Φ*40L
ACT
Laminate 100*100*20.1
2.2-3.8 2.2-3.8 2.0-4.0
2000 200 5000
能量密度 (W h kg-1)
14 9.8 15
http://www.jsrmicro.com/index.php/EnergyAndEnvironment/LithiumIonCapacitor/lic_products/ Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9363–9373
2
电压： 2.2 - 4.0 V
石墨
0
能量密度 15-20 Wh/kg
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Specific capacity (mAh g-1)
锂离子电容器
公司
类型
尺寸 (mm) 电压区间 (V) 电容量 (F)
JM energy Laminate 180*126*10.9
(电子－离子迁移速度)
3. 器件寿命
• Electrode (Network) Stability • Side Reactions （副反应）
(electrolyte/electrode) (insulated SEI Layer)
工作电压 > 3.0 V 7 能量密度： 100-265 Wh/kg
锂离子电容器
双电层电容器
锂离子电容器
负
正
极
极
阳离子 阴离子
活性炭 1.2 V
活性炭
负
正
极
极
锂离子 阴离子
石墨
活性炭
0.01 V
锂离子电容器储能机理
5
电解质氧化降解区间
4
Potential / vs. Li/Li+
3
双电层电容器
（EDLC）
2
1
电解质还原降解区间
锂离子 阴离子
石墨
活性炭
E 1 CU 2
Capacitors （电容） 高功率密度 低能量密度 Batteries （电池） 高能量密度 低功率密度
目标 高能量密度 高功率密度
4
双电层电容器的工作原理
(A)
(B)
2-10 Å
正
负
极
极
阴离子 阳离子
活性炭
活性炭
φ
充电前
φ 充电完成
1-4V
能量密度：E 1 CU 2
2
总容量
1= 1 + 1
超级电容器的应用
消费电子
交通运输
升降装备
工业自动化
进一步提升电容器的能量密度（容量）
双电层电容器
锂离子电容器
负 极
正 极
负 极
正 极
阳离子 阴离子
活性炭
活性炭
锂离子 阴离子
石墨
活性炭
能量密度：E 1 CU 2 功率密度
2
电容容量
1 = 1 + 1 电极容量: C C C Cathode Anode
超级电容器：挑战与机遇
能源的采集和储存
水电
煤电
太阳能
电能
风能
能量储存
生物能
化学能
常用电化学储能装置
电池
法拉第过程 一次电池 铅酸电池 镍氢电池
锂离子电池 液流电池
金属空气电池，等
电容器
法拉第过程
非法拉第过程
极板极化过程
赝电容电容器
双电层电容器
陶瓷电容器 电解质电容器
高分子固体电容器
超级电容器
特征