超级电容器研究综述
超级电容器研究综述
一、超级电容器的发展与进步（一）概述在古代，人们发现了与琥珀及橡皮相摩擦，引起表面贮存电荷的可能性。
然而这一效应的缘由直到18世纪中叶方被人们理解。
140年后，人们开始对电有了分子原子级的了解。
早期的有关莱顿瓶的发现和研究，开启了电容器的序幕。
之后，电容器不断的发展起来，现如今，其发展起来的电化学超级电容器，已经应用于国防设备、电力设备、通讯设备、铁路设施、电子产品、汽车工业等方方面面，成为当代社会不可缺少的一部分。
电能能够以两种截然不同的方式存贮：一种间接方式是作为潜在可用的化学能，存贮在电池里。
另一种直接的方式，则是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能。
超级电容器在存贮电荷时有着两种原理，一种是通过双电层原理，以非法第模式来存贮电能；而另一种则是法拉第模式，通过发生氧化还原反应来产生赝电容。
目前双电层型超级电容器一般采用碳材料做电极，通过碳材料的大的比表面积来增加双电层的面积，而赝电容型超级电容器一般采用氧化物或聚合物的材料来做为电极。
同时，二者在制作超级电容器的时候也可以并用，从而使得超级电容器也可以划分为对称超级电容器和非对称超级电容器，对称即指电容器的两极的材料相同，非对称则不同。
在电解质方面，超级电容器绝大多数均采用液体电解质，如水及其它有机溶剂。
超级电容器的电化学性能分析有很多方法，但通常都包括以下四种图：循环伏安曲线，恒流充放电曲线，交流阻抗谱，循环稳定性曲线。
通过这四种图可以比较明确地判断出一个超级电容器的电化学性能的好坏，具体判断方法之后会详细说明。
超级电容器有着非常高的功率密度，但是其能量密度却比较低，它有着极好的循环充放电稳定性但是电压窗口却比较窄。
但是人们也在对其进行着不断的研究来改善超级电容器的这些弊端。
（二）超级电容器的原理超级电容器又称为电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件，它的出现填补了Ragone图中传统电容器的高比功率和电池的高比能量之间的空白。
超级电容器综述
超级电容器综述超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是一种新型储能器件，它利用电极/电解质交界面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化还原反应来储存能量。
超级电容器采用活性碳材料制作成多孔碳电极，同时在相对的多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别*正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别*到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层。
由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积），而且电解质与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度），所以这种双电层结构的超级电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。
目前国际上研究与发展的超级电容器可归为以下几类：●双层电容器（Double layer capacitor）由高表面碳电极在水溶液电解质（如硫酸等）或有机电解质溶液中形成的双电层电容，如图6-12.1所示。
该图还表示出一个典型双电层的形成原理，显然双电层是在电极材料（包括其空隙中）与电解质交界面两侧形成的，双电层电容量的大小取决于双电层上分离电荷的数量，因此电极材料和电解质对电容量的影响最大。
一般都采用多孔高表面积碳作为双层电容器电极材料，其比表面积可达1000－3000m2/g，比电容可达280F/g。
●赝电容器（Pseudo－capacitor）由电极表面上或者体相中的二维或准二维空间上发生活性材料的欠电位沉积，形成高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应产生和电极充电电位有关的电容，又称法拉第准电容；典型的赝电容器是由金属氧化物，如氧化钌构成的，其比电容高达760F/g。
但由于氧化钌太贵，现已开始采用氧化钴、氧化镍和二氧化锰来取代；●混合电容器（Hybrid capacitor）由半个形成双层电容的碳电极与半个导电聚合物或其他无机化合物的表面反应或电极嵌入反应电极等构成。
超级电容器的研究
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
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，期望将来超级电容器能够代替电池 作为储能元件，兼具高能量和高功率的性能。 • 超级电容器是绿色环保、能源开发的重要方向之 一，它的研发必将带动整个电子产业及相关行业 的发展，目前国内超级电容器的开发生产刚刚起 步，具有广阔的发展空间。
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 1-5小时 超级电容器 0.3-若干秒 普通电容器 10-3—10-6秒
充电时间
放电时间
比能Wh/kg 循环寿命 比功率W/kg 充放电效率
0.3-3小时
30- 40 300 < 300 0.7-0.85
0.3-若干秒
1- 20 >10000 >1000 0.85-0.98
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，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。
超级电容器及其相关材料的研究
超级电容器及其相关材料的研究一、本文概述随着科技的不断进步和可持续发展理念的深入人心，超级电容器作为一种高效、环保的储能器件，正日益受到全球科研人员和工业界的广泛关注。
超级电容器以其高功率密度、快速充放电、长循环寿命等诸多优点，在新能源汽车、电子设备、航空航天等领域展现出广阔的应用前景。
本文旨在全面综述超级电容器及其相关材料的研究现状和发展趋势，分析超级电容器的性能特点，探讨新型电极材料的研发与应用，以期推动超级电容器技术的进一步发展，并为相关领域的研究人员提供有益的参考和启示。
本文首先介绍了超级电容器的基本原理、分类及性能特点，为后续研究提供理论基础。
随后，重点综述了近年来超级电容器电极材料的研究进展，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，并分析了各类材料的优缺点及适用场景。
本文还关注了电解质材料、隔膜材料等关键组件的研究现状，以及超级电容器的制造工艺和应用领域。
结合当前面临的挑战和未来发展趋势，本文展望了超级电容器技术的创新方向和应用前景，以期为未来相关研究提供有益的借鉴和指导。
二、超级电容器的基本原理与分类超级电容器，又称电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。
它具有极高的电荷储存能力，能在极短的时间内释放出大量的能量，从而满足了现代电子设备对高功率、快速充放电的需求。
基本原理：超级电容器的基本原理与传统的平行板电容器类似，都涉及到电荷的储存和释放。
然而，超级电容器的电极材料通常是具有高比表面积的纳米多孔材料，如活性炭、金属氧化物和导电聚合物等。
这些高比表面积的电极材料使得超级电容器能在极小的体积内储存大量的电荷，从而实现了高能量密度。
同时，超级电容器的电解质通常具有高的离子电导率，这有助于实现快速的充放电过程。
碳基超级电容器：以活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳材料为电极，利用碳材料的高比表面积和良好的导电性实现高能量密度和高功率密度。
金属氧化物超级电容器：以金属氧化物（如RuO₂、MnO₂、NiO等）为电极，利用金属氧化物的高赝电容特性实现更高的能量密度。
超级电容器综述
超级电容器综述超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能。
它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。
超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。
众所周知,插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。
那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层,它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。
双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏器件,这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。
同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达10^6次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。
由于石油资源日趋短缺,并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重(尤其是在大、中城市),人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。
超级电容器材料的研究及应用
超级电容器材料的研究及应用超级电容器是一种利用电场存储电能的能量存储器，其在电化学和电磁学理论上都有一定的发展。
超级电容器具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，在现代航空、汽车、宇航和智能电网等领域有着广泛的应用。
而超级电容器的核心是电极材料，所以先进的电极材料能够带来超级电容器工作性能更好的表现。
一、超级电容器电极材料的研究现状目前，超级电容器电极材料的研究集中在以下领域：（1）金属氧化物材料的研究。
金属氧化物，如钼酸锂、钴酸镍等，具有优异的电极电化学性能，同时元素资源广泛，价格低廉，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究与应用。
（2）碳材料的研究。
碳材料是制备超级电容器电极材料的主要原材料之一，具有良好的导电性和热稳定性。
而以活性炭为代表的多孔碳材料还具有大表面积、高比电容等优良性质，因此在超级电容器电极材料以及电池、传感器等领域应用广泛。
（3）二维材料的研究。
二维材料，如石墨烯和硼氮化物，具有高比表面积、方便处理的优势，已被广泛研究作为超级电容器电极材料。
尤其石墨烯由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性等特性，在超级电容器电极材料研究中被广泛关注。
（4）金属有机骨架材料的研究。
金属有机骨架材料，即MOFs，是由金属离子和有机配体组成的晶态材料，具有极大的内孔体积以及可调控的孔径和结构。
这种新型材料具有极高的表面积和储能密度，是超级电容器电极材料研究的热点之一。
二、超级电容器电极材料的制备方法超级电容器电极材料的制备方法主要分为化学还原法、水热法、煅烧法、氧化还原电位法等。
其中化学法是制备超级电容器电极材料的常规方法，其通过调节反应条件，可控制电化学行为，实现材料的优异电化学性能；而水热合成是在相对低的温度和压力下，通过压剂或表面修饰剂，实现材料形貌和结构的微观调控；氧化还原电位法是通过扫描电位电化学法控制电位，调控材料的化学反应，从而实现精准控制。
三、超级电容器材料的应用超级电容器在现代工业、航空、军事、医学等领域得到了广泛的应用。
超级电容器电极材料研究进展
超级电容器电极材料研究进展一、本文概述随着能源危机和环境污染问题日益严重，高效、环保的能源存储和转换技术成为了全球科研工作的热点。
超级电容器，作为一种新型的储能器件，因其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命等优点，在电动汽车、电子设备、可再生能源系统等领域具有广阔的应用前景。
电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接影响着超级电容器的整体性能。
因此，研究和开发高性能的超级电容器电极材料成为了当前的研究重点。
本文旨在全面综述超级电容器电极材料的研究进展，包括各类电极材料的性能特点、合成方法、改性策略及其在超级电容器中的应用。
文章首先介绍了超级电容器的基本原理和分类，然后重点分析了碳材料、金属氧化物、导电聚合物等常见电极材料的性能优势和存在的问题。
接着，文章综述了近年来通过纳米结构设计、复合改性、表面修饰等手段提高电极材料性能的研究进展。
文章展望了超级电容器电极材料未来的发展方向和潜在应用领域。
通过本文的阐述，期望能够为超级电容器电极材料的研究和应用提供有益的参考和启示。
二、超级电容器电极材料分类超级电容器的性能与电极材料的特性密切相关，因此，对电极材料的研究一直是超级电容器领域的热点。
根据材料种类的不同，超级电容器的电极材料主要分为碳材料、金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物以及复合材料等几大类。
碳材料：碳材料是超级电容器中应用最广泛的一类电极材料，包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这类材料具有比表面积大、导电性好、化学稳定性高等优点，适合用作双电层电容器的电极材料。
然而，碳材料的储能机制主要是物理吸附，因此其能量密度相对较低。
金属氧化物/氢氧化物：金属氧化物/氢氧化物如RuO₂、MnO₂、NiOOH 等，具有较高的赝电容特性，能够实现快速的氧化还原反应，从而提供更高的能量密度。
然而，这类材料的导电性较差，且在充放电过程中体积变化较大，容易导致电极结构破坏，影响循环稳定性。
导电聚合物：导电聚合物如聚吡咯、聚噻吩等，具有良好的导电性和赝电容特性，是超级电容器电极材料的另一类重要选择。
超级电容器综述
超级电容器综述摘要：电化学超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置，以其独特的大容量、高功率密度、高的循环使用寿命、免维护、经济环保等特点，受到了世人的青睐，致使许多新型的电化学超级电容器电板材料相继被发现和应用。
本文综述了超级电容器的原理、电极材料的分类、隔膜、电解液等，介绍了超级电容器的主要应用领域与发展趋势。
关键词：超级电容器原理电极材料综述Reviews of supercapacitorsAbstract：As a new kind of energy storage device, supercapacitors has large capacity, large discharge power, longer cycle service life, free-maintenance, economic and environmental protection, which is between traditional capacitors and chemical batteries. For these advantages, supercapacitors has become extremely popular with researchers, therefore more and more supercapacitor materials have been found and applied. The paper reviews supercapacitors’ principle, the classification of electrode materials, diaphragm, electrolyte, and includes the main field of application, trend of development.Keywords: supercapacitors; principle; electrode materials; review1引言电容器是一种能储蓄电能的设备与器件．由于它的使用能避免电子仪器与设备因电源瞬间切断或电压偶尔降低而产生的错误动作，所以它作为备用电源被广泛应用于声频一视频设备：调协器，电话机、传真机及计算机等通讯设备和家用电器中．电容器的研究是从30年代开始的，随着电子工业的发展．先后经历了电解电容器、瓷介电容器、有机薄膜电容器、铝电解电容器、钽电解电容器和双电层电容器的发展．其中双电层电容器．又叫电化学电容器．是一种相对新型的电容器，它的出现使得电容器的上限容量骤然跃升了3—4个数量级，达到了法拉第级(F)的大容量，正缘于此，它享有“超级电容器”之称。
超级电容器综述_杨盛毅
K eywords: supercapac itors; developm en;t app lication; princ iple; review
0 引言
超级电容器 ( Supercapacitors)是近几十年来, 国内外发展 起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储 能元件。它具备传统电容那样的放电功率, 也具备化学电池 储备电荷的能力。与传统电容相比, 具备达到法拉级别的超 大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿 命, 充放电循环次数可达十万次以上, 且不用维护; 与化学电 池相比, 具备较高的比功率, 且对环境无污染。因此, 超级电 容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置, 它优越的性能 得到各方的重视, 目前发展十分迅速。
Review of Supercapacitors
YANG Shengy,i WEN Fang
Abstract: A s a new k ind energy storage dev ice, supercapac itors has large d ischarge pow er, large capac itance as farad g rade, h igher energy, w ider operating temperature range, longer serv ice life, free-ma intenance, econom ic and env ironm ental protection, wh ich is betw een common capacitor and chem ica l batteries. T his paper includes supercapac ito rs. pr inc iple, m ain perfo rm ance index, development sta tus and characteristics, and sums up supercapac ito rs. research status. A t las,t it po ints out attention in use and reso lven.t
Chem.Soc.Rev.夏永姚综述：超级电容器的机理、材料、系统、表征及应用
Chem.Soc.Rev.夏永姚综述：超级电容器的机理、材料、系统、表征及应用超级电容器因具有高功率密度，长循环稳定性和高安全性等，视为在需要高功率输送或快速存储能量应用方面的一种替代或补充可充电电池。
最近，复旦大学的夏永姚课题组在C h e m . S o cR e v 上发表了题为“E l e c t r o c h e m i c a l c a p ai t o r s : m e c h a n i s m , m a t e r i a l s , s y se m s , c h a r a c t e r i z a t i o n a n d a p p l i ct i o n s （超级电容器的机理、材料、系统、表征及应用）”的述。
在大牛夏永姚研究团队的这篇最新综述中，对超级电容器的储能机理、电极材料、电解液材料、系统、表征方法及应用做了一个系统全面而精简的讲解。
综述导览图1 超级电容器背景介绍超级电容器相比于电池，能够提供更高功率密度和快速的能量存储，但其能量密度比电池低得多，而能量密度取决于超级电容器电极材料的比电容（F）和全电池电压（V），因此，开发纳米多孔电极材料改善比电容和建立混合型/非对称超级电容器增加电压成为有效的方法。
如何开发一个高能量密度，又同时保有高功率密度、长循环寿命特性的超级电容器是许多研究人员致力解决的问题。
这篇文章回顾了超级电容器存储机理、表征手段、系统和相关材料的最新进展，最后，还讨论了超电在实际应用中的相关前景和挑战。
图1 综述概览图2 超级电容器电荷存储机理超级电容器的能量主要通过两种方式进行储存：基于电极表面静电累积作用形成的双电层电容和基于快速可逆表面氧化还原反应的赝电容。
目前可充电电池机理主要基于阳离子(H或Li)在材料晶体结构内脱嵌行为和氧化还原反应。
插层赝电容作为一种新型电荷存储机理主要依赖于阳离子(如 Li, Na, K, H)嵌入/脱嵌行为。
超级电容原理，技术，应用及安全综述
超级电容原理，技术，应用及安全综述（摘自国内主要超级电容公司网站）主要开发与生产HCC系列有机高电压型双电层超级电容器（也称为超大容量电容器、法拉电容、双电层电容器、EDLCs 等）。
HCC超级电容器产品具有体积小、容量大、功率高、寿命超长、温度特性好的特点，产品种类丰富，以卷绕圆柱式为主，兼顾方形、异型模组等多种超级电容器产品规格，涵盖了大、中、小型超级电容器，标准产品的容量从0.06F 到10000F，可提供高达10万法拉大容量的特制超级电容器单体产品，并可为用户定制不同规格单体电容器、组合模组和相关能源控制系统。
HCC超级电容器产品采用具有自主知识产权的独特技术和工艺进行生产，各项指标均达到世界先进超级电容器水平，并在储能密度等指标上世界领先，HCC产品具有极高的性价比。
同时，HCC拥有丰富的超级电容器应用经验，为用户设计和生产过大量的基于超级电容器的储能系统，在针对客户具体应用场合定制模组上具有极强的设计能力，我们为客户提供更为合理的能源解决方案。
HCC超级电容器产品广泛应用于电动/混合动力汽车、大功率短时供能电源、太阳能储能、风力发电机变桨系统/储能缓冲系统、智能三表、电动自行车、电动玩具等等领域，拥有广泛的客户基础，在各领域均拥有典型性的应用客户代表。
针对超级电容器的性能特点，HCC对客户提供包括器件选型、测试、应用实例等等各方面强大的技术支持。
Copyright © 2009-2010 Unicon. All Rights Reserved 京ICP备45235678技术支持：中国电子网地址：北京市海淀区上地七街1号汇众大厦705电话：************传真：************Email：*******************◆ 超级电容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫双电层电容器(ElectricalDoule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。
超级电容器文献综述
高比能量水基电解质炭基超级电容器的研究文献综述一、课题背景和意义超级电容器(Supercapacitor)，又称超大容量电容器(Ultracapacitor)或电化学电容器(Electrochemical capacitor)，是一种重要的电化学能量存储与转换装置[1-3]。
从双电层理论的提出到超级电容器的问世，经历了很长一段历史。
20世纪50年代末，Becke申请了双电层电容器的专利，超级电容器的研究才取得实质性进展[1]。
1971年，日本NEC公司成功制备了第一个商用超级电容器[4]。
在七八十年代，Conway和他的合作者利用赝电容电极材料RuO2制备了性能更加优异的超级电容器[5]。
美国政府在1989 年制定了超级电容器领域的短期和中长期研究计划项目，更是加速推动了超级电容器产业的发展。
2007年，《Discovery》将超级电容器列为2006年世界七大技术发现之一，认为其是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些重要领域替代传统能量存储装置。
至此，超级电容器已得到各界的广泛关注和认可，并成为全球新型储能器件的一个研究热点[3, 6-11]。
作为一种新型的储能器件，超级电容器具有众多优点，图1.1是其与电池和普通电容的对比情况。
对比结果显示与电池相比，超级电容器具有较低的能量密度，但是其功率密度较高；与普通电容相比，超级电容器具有较低的功率密度，但是其能量密度较高。
图1.1不同储能器件对比二、超级电容器的组成和工作原理2.1超级电容器的组成超级电容器是一种重要的电化学能量存储装置，其结构示意图如图2.1所示。
超级电容器的主要构件为对称的双电极、防止电极接触短路的隔膜、电解质和电极材料基底-集流体。
图2.1超级电容器的构成图示2.2工作原理基于超级电容器的不同构成材料及工作原理，可将其分为三类：(l)电化学双电层电容器(Electrochemical Double Layer capacitor，EDLC)；(2)法拉第赝电容器(Faradic Pseudocapacitor，FPC)；(3) 混合杂化型电容器(Hybrid Supercapacitor，HSC)。
超级电容器的电极材料的研究进展
超级电容器的电极材料的研究进展一、本文概述随着科技的不断进步和新能源领域的飞速发展，超级电容器作为一种高效、快速储能器件，已逐渐引起科研工作者和工业界的广泛关注。
作为超级电容器的核心组件，电极材料的性能直接影响着超级电容器的电化学性能和实际应用效果。
研究和开发高性能的电极材料对于提升超级电容器的整体性能、推动其在新能源领域的应用具有十分重要的意义。
本文旨在对超级电容器的电极材料的研究进展进行全面的梳理和综述。
文章首先介绍了超级电容器的基本原理和电极材料在其中的作用，然后重点阐述了当前常用的电极材料类型，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，并分析了它们各自的优势和存在的问题。
接着，文章综述了近年来在电极材料研究方面取得的重要突破和进展，包括材料结构设计、复合材料的开发、表面改性等方面的研究。
文章对超级电容器电极材料的研究趋势和未来发展方向进行了展望，以期为相关领域的研究者提供参考和借鉴。
二、超级电容器概述超级电容器（Supercapacitor），亦称为电化学电容器（Electrochemical Capacitor），是一种介于传统电容器和电池之间的储能器件。
其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命以及良好的环境适应性等特点，因此在能源储存和转换领域引起了广泛关注。
超级电容器的储能原理主要基于电极材料表面和近表面的快速、可逆的法拉第氧化还原反应或非法拉第的静电吸附过程。
相比于传统电容器，超级电容器能够提供更高的能量密度而相较于电池，它又具备更高的功率密度和更快的充放电速度。
这些独特的性能使得超级电容器在电动汽车、可再生能源系统、移动通讯、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
超级电容器的电极材料是其性能的决定性因素。
理想的电极材料应具备高比表面积、高电导率、良好的化学稳定性和环境友好性等特点。
目前，研究者们已经开发出多种类型的电极材料，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等。
这些材料各有优势，但也存在一些问题，如比能量低、循环稳定性差等。
超级电容器的研究
活性炭电极
01
通过物理或化学活化法制备，具有高比表面积和良好的电化学
性能。
金属氧化物电极
02
通过高温热解金属盐类或化学氧化法制备，具有高比电容和良
好的循环稳定性。
导电聚合物电极
03
通过电化学聚合法或化学聚合法制备，具有高比电容和良好的
倍率性能。
电解质材料的制备工艺研究
离子液体电解质
通过合成特定结构的有机盐，再溶解在合适的溶剂中制备，具有 高离子电导率和良好的稳定性。
纤维素隔膜
如纤维素薄膜、纸等，具有较高的 孔隙率和渗透性，能够提高超级电 容器的能量密度和功率密度。
陶瓷隔膜
如氧化铝、氧化锆等，具有较高的 热稳定性和化学稳定性，能够提高 超级电容器的安全性和可靠性。
04
超级电容器的性能研究
电化学性能研究
总结词
电化学性能是超级电容器最重要的性能指标之一，主要涉及到电极/电解质的反应机理、反应速度以及能量存储 和释放机制。
07
结论与展望
研究结论
超级电容器是一种具有高功率密度、快速充放电、长寿命 等优点的储能器件，在电动汽车、混合动力汽车、轨道交 通、智能电网等领域具有广泛的应用前景。
超级电容器的性能受到电极材料、电解液、电极结构等因 素的影响，通过优化这些因素可以提高超级电容器的能量 密度、循环寿命和充放电性能。
详细描述
充放电性能研究主要关注超级电容器的充放电速度、效率以及能量回收效率等参 数。研究电极材料的导电性和离子扩散系数对充放电性能的影响，有助于优化电 极结构和材料，提高超级电容器的充放电性能和能量回收效率。
循环寿命与稳定性研究
总结词
循环寿命与稳定性是评估超级电容器长期使用效果的重要指标，涉及到耐久性、可靠性以及失效机制 等方面的研究。
超级电容器的现状及发展趋势综述
文献综述超级电容器的现状及发展趋势目录1 前言2 超级电容器发展现状3 超级电容的特点4 超级电容器电压均衡技术解决方案5 超级电容器的发展趋势与展望6 小结21.前言随着化石能源资源的日益匮乏和人们强烈的环保意识，有力地促进了太阳能和风能等可再生能源的发展。
但太阳能、风能具有波动性和间歇性，需要有效的储能装置保证其能够稳定的在电网中并网工作。
同时，电动汽车产业的快速发展也迫切需要发展低沉本、环境友好、能量密度高的储能装置。
超级电容器也叫做双电层电容器是一种具有高能量密度的新型储能元器件，它可提供大功率并具有超长寿命，是一种兼备电容和电池特性的新型元件，在混合动力电动车、脉冲电源系统和应急电源等领域具有广泛的应用前景。
而对于大功率系统来说，由于超级电容单体的电压值和能量都比较低，不能满足应用系统功率、放电时间及电压要求。
为满足实际应用工况的电压需求，需将多个单体串并联以提高储能模块的工作电压，单体电容器参数的分散性是制约超级电容器模块寿命和可靠性的主要因素。
然而市面上同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上存在着不一致，并且在超级电容器使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电容器的参数不一致性。
这种离散性极易造成超级电容的过充或过放，从而影响系统的使用寿命和可靠性。
因此，研究和实现超级电容器的电压均衡对于提高超级电容器的整体性能是十分必要和关键的技术。
基于此本文将主要对超级电容器的发展现状、优缺点、电压均衡方法及未来的发展趋势进行阐述。
2.发展现状超级电容器利用双电层原理直接存储电能，其容量可达数万法拉，是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。
超级电容器储存的能量E=25.0V C ⨯⨯，与容量C 和工作电压V 的平方成正比，具有较大的比电容、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保的特点。
同时，与化学电源相比较，超级电容具有跟高的比功率，能够在短时间内释放化学电源所难达到的大电流，这一性质很好带地满足了某些电设备对瞬时大电流的需求，具有很大的发展潜能。
超级电容器实验报告
一、实验目的1. 了解超级电容器的原理及结构；2. 掌握超级电容器的性能测试方法；3. 分析超级电容器的电化学特性；4. 评估超级电容器的实际应用价值。
二、实验原理超级电容器是一种新型电化学储能器件，具有高比电容、长循环寿命、快速充放电等优点。
其工作原理是基于电极/电解质界面形成的双电层，通过离子在电极/电解质界面上的吸附和脱附来储存和释放能量。
本实验主要研究超级电容器的比电容、充放电性能、循环寿命等电化学特性。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：（1）超级电容器电极材料：活性炭、金属氧化物等；（2）电解液：锂离子电池电解液；（3）集流体：铜箔、铝箔等；（4）隔膜：聚丙烯隔膜。
2. 实验仪器：（1）电化学工作站：用于测试超级电容器的充放电性能、循环寿命等；（2）扫描电子显微镜（SEM）：用于观察电极材料的形貌；（3）X射线衍射仪（XRD）：用于分析电极材料的晶体结构；（4）循环伏安仪（CV）：用于测试超级电容器的电化学特性。
四、实验步骤1. 电极材料的制备：将活性炭、金属氧化物等粉末与粘结剂混合，制成浆料，涂覆在集流体上，干燥后制成电极。
2. 超级电容器的组装：将制备好的电极、隔膜、集流体依次组装成超级电容器。
3. 性能测试：（1）充放电性能测试：在电化学工作站上，以不同电流密度对超级电容器进行充放电测试，记录充放电曲线。
（2）循环寿命测试：在电化学工作站上，以固定电流密度对超级电容器进行充放电循环，记录循环次数。
（3）电化学特性测试：在循环伏安仪上，以不同扫描速率对超级电容器进行循环伏安测试，分析其电化学特性。
五、实验结果与分析1. 充放电性能测试：图1为超级电容器的充放电曲线。
从图中可以看出，超级电容器的充放电曲线呈典型的电容曲线，具有较宽的充放电平台，说明其具有较大的比电容。
2. 循环寿命测试：图2为超级电容器的循环寿命曲线。
从图中可以看出，在固定电流密度下，超级电容器的循环寿命达到5000次以上，说明其具有较长的循环寿命。
超级电容器的研究现状与应用拓展
超级电容器的研究现状与应用拓展超级电容器是一种新型的储能设备，它和传统的电池储能不同，可以实现快速的充放电并且寿命长，具有广泛的应用前景。
本文将介绍超级电容器的研究现状以及未来可能的应用拓展。
一、超级电容器的研究现状超级电容器的研究始于20世纪80年代，当时主要是用于汽车启动和制动系统。
随着技术的不断进步和研究的深入，超级电容器的性能稳步提升，并开始进入其他领域。
目前，超级电容器的性能已经大大提升，主要表现在以下几个方面：1.高功率密度：超级电容器的最大功率密度已经超过100kW/kg，可以在短时间内完成大功率的充放电。
2.高能量密度：虽然超级电容器的能量密度仍然相对较低，但是随着纳米材料的应用，其能量密度已经有了明显提高，已经可以达到5Wh/kg以上。
3.长寿命：超级电容器的寿命通常在100,000次以上，远高于传统的电池。
4.高温稳定性：超级电容器通常可以在高温环境下工作。
二、超级电容器的应用拓展随着超级电容器的研究不断深入，其应用也在不断扩展。
目前，超级电容器已经在以下领域得到了应用：1.交通领域：超级电容器可以用于汽车启动和制动系统、轨道交通的制动系统等。
2.储能领域：超级电容器可以用于储存可再生能源、缓冲电力波动等。
3.电子产品：超级电容器可以用于电子产品的快速充电、节约电池等。
4.医疗领域：超级电容器可以用于医疗设备的备用电源。
未来，超级电容器的应用还有很大的拓展空间。
以下是一些可能的应用领域：1.电动汽车：超级电容器可以用于电动汽车的储能，提高汽车的续航能力。
2.太阳能储能：超级电容器可以用于储存太阳能，提高太阳能发电的效率。
3.航空航天领域：超级电容器可以应用于飞机、卫星等领域，提高储能效率。
4.无线电力传输：超级电容器可以用于无线电力传输，提高能量利用率。
结论超级电容器是一种重要的储能设备，具有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步，超级电容器的性能将不断提高，应用也将不断扩展。
我们期待着未来超级电容器的更广泛的应用。
超级电容研究与应用综述
品 。随着最近技术的进步 ， 将 超级电容的工作 电压 提高到
１ 超 级 电容 概 述
超级 电容是一 种非 常大的极化 电解质 电容 。这 里的 ‘ 大’ 指 的是容量 ， 而不是它们的物理尺寸 。对 于普通的 电
２ ５ Ｖ ｄ ｃ 时， 尺寸增加不 到一倍 ， 根据具体应用场合 ， 这样 的 体积变化可能并 不十分显著 。 标 准电容 的结构是在 两个 附属于金属 板上 的电极 之 间夹一层 电介质层 。根据 电容类 型不 同， 电介质可 以是氧 化铝 、 四氧化钽 、 氧化钛钡 或聚丙烯聚酯 ， 不同的材料决定
０ 引 言
超级 电容也称 双电层电容器 ，是一种新型储 能装 置 ，
容 。超级 电容 的容值在 ｌ Ｆ以上 ， 工作 电压范围从 １ ． ５ Ｖ到
１ ６ ０ Ｖ甚至更高。 随着 电容值 和电压增加 ， 其体积也会增加 。 电容值 在数 十法 拉左 右的早期超级 电容是个 大块 头 ， 主要 用于大型电源设备 。具有低电压工作能力 的小体积超级 电 容则常用作 消费 电子设备中的短期备用 电源。
封装长度和增加极板距离或这两种方法的组合。这三种方
１ １ ４ ｌ 建燕辍 座 田 ・ ２ ０ １ ３ 年 第５ 期
Ｔ ｈ ｅ Ｎ ｅ ｗ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ，Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｑ ｕ ａ Ｌ ｉ ￣ ｙ Ｍ ａ ｎ ａ ｇ ｅ ｍ ｅ ｎ ￣新 能 源 、 电 能 质 量 管 理
李 昌信
（ 陕西省省 委 党校 自然科 学研 究 室 ． 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ６ １ ）
摘Байду номын сангаас
要： 在新 材料 不 断被 发现 与应 用 的背景 下 ， 超级 电容 已从 实验 室走上技 术应 用 平 台。 具 有能 量转
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、超级电容器的发展与进步（一）概述在古代，人们发现了与琥珀及橡皮相摩擦，引起表面贮存电荷的可能性。
然而这一效应的缘由直到18世纪中叶方被人们理解。
140年后，人们开始对电有了分子原子级的了解。
早期的有关莱顿瓶的发现和研究，开启了电容器的序幕。
之后，电容器不断的发展起来，现如今，其发展起来的电化学超级电容器，已经应用于国防设备、电力设备、通讯设备、铁路设施、电子产品、汽车工业等方方面面，成为当代社会不可缺少的一部分。
电能能够以两种截然不同的方式存贮：一种间接方式是作为潜在可用的化学能，存贮在电池里。
另一种直接的方式，则是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能。
超级电容器在存贮电荷时有着两种原理，一种是通过双电层原理，以非法第模式来存贮电能；而另一种则是法拉第模式，通过发生氧化还原反应来产生赝电容。
目前双电层型超级电容器一般采用碳材料做电极，通过碳材料的大的比表面积来增加双电层的面积，而赝电容型超级电容器一般采用氧化物或聚合物的材料来做为电极。
同时，二者在制作超级电容器的时候也可以并用，从而使得超级电容器也可以划分为对称超级电容器和非对称超级电容器，对称即指电容器的两极的材料相同，非对称则不同。
在电解质方面，超级电容器绝大多数均采用液体电解质，如水及其它有机溶剂。
超级电容器的电化学性能分析有很多方法，但通常都包括以下四种图：循环伏安曲线，恒流充放电曲线，交流阻抗谱，循环稳定性曲线。
通过这四种图可以比较明确地判断出一个超级电容器的电化学性能的好坏，具体判断方法之后会详细说明。
超级电容器有着非常高的功率密度，但是其能量密度却比较低，它有着极好的循环充放电稳定性但是电压窗口却比较窄。
但是人们也在对其进行着不断的研究来改善超级电容器的这些弊端。
（二）超级电容器的原理超级电容器又称为电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件，它的出现填补了Ragone 图中传统电容器的高比功率和电池的高比能量之间的空白。
一方面，与传统电容器相比，超级电容器的电极材料往往选用高比表面积材料，如活性碳，通过静电作用在固/液界面形成对峙的双电层存储电荷，因此超级电容器拥有比传统电容器高的能量密度，静电容量能够达到千法拉至万法拉级；另一方面，与电池能量存储机理类似，超级电容器可以通过法拉第氧化还原反应完成电荷存储和释放，由于主要依靠电极表面或近表面的活性材料存储电荷，超级电容器与电池相比，能量密度较低，但是具有高的功率密度和循环稳定性。
1 传统电容器传统的平行板电容器是所有静电电容器储能的基础，传统电容器电能的储存来源于电荷在两极板上聚集而产生电场。
平行板电容器的静电电容的计算公式为：r是两极板材料的相对介电常数，0是真空介电常数，A是电极板的正对面积，d 是两极板的距离。
2 双电层超级电容器双电层电容器是通过静电电荷分离，依靠固/液界面的双电层效应完成能量的存储和转化。
电解液离子分布可为两个区域——紧密层和扩散层。
其双电层电容可视为由紧密层电容和扩散层电容串联而成。
双电层电容器正是基于上述理论发展起来的。
充电时，电子经外电路从正极移到负极，同时电解液中的正电荷向负极表面扩散，负电荷向正极表面扩散，电极/电解液界面的异性电荷相互吸附，形成对峙的双电层储存能量；充电完成后，电极/电解液界面的异性电荷通过静电作用相互吸引，维持双电层结构。
放电时，正负极与外电路连通，电极上的电荷流经外电路产生电流，界面处的正负电荷则从电极表面返回电解液主体中。
整个充电/放电过程没有氧化还原化学反应发生，是电荷静电吸附/脱附的物理过程，因而双电层电容器能够实现超高的功率密度和优异循环性能。
3 赝电容超级电容器在电极表面或体相中的二维/准二维空间上产生欠电位沉积，发生高度可逆的氧化还原反应或者化学吸附与脱附，由电荷分离产生电容。
基于赝电容超级电容器的储能包括两个方面，一是产生在电极表面的双电层电容存储电荷，二是发生在电极表面或近表面的法拉第赝电容存储电荷，所以赝电容超级电容器存储电荷的能力远远高于双电层电容器，相同电极面积下，质量比电容是双电层超级电容器的10~100倍。
而对于赝电容氧化物电极材料来讲，一般的要求是：1、氧化物具有较高的电导率；2、它可以存在两种或更多种氧化态形式（电子在不同价态间进行跃迁），并且其多种氧化态可在相组成内共存；3、在还原过程中，质子可自由嵌入氧化物晶格（同样地，可在氧化过程中抽于氧化物晶格）。
4 混合型超级电容器为了提高超级电容器的能量密度，近年来研究者开发了一种高工作电位窗口的电容器，即混合型电容器，又称非对称式超级电容器。
其中一个电极采用金属氧化物、导电聚合物或者其它类电池型材料，通过电化学氧化还原反应储存和转化能量，另一极则通过双电层材料（例如各种碳材料）来储存和释放能量。
混合型电容器充分利用了正极能够达到一个大的正电位，负极能够达到一个大的负电位的优点，两个电极合理匹配，协同耦合，实现整体工作电位窗口的大幅度拓宽。
（三）超级电容器材料的研究进展超级电容器的电极材料大体上可以分为三大类：碳、金属氧化物、聚合物。
其中碳材料一般以双电层原理提供电容，金属氧化物与聚合物一般以赝电容原理提供电容。
但电容的两个电极的材料并非一定相同，可以一边采用双电层原理的电极，另一边采用赝电容原理的电极，这样的电容叫做非对称电容器，两边材料相同的叫做对称电容器。
另外，通过材料的复合加工，单个电极也可以采用双电层和赝电容两个形式提供电容。
相对于双电层原理制成的电极，赝电容原理制成的电极的电容值要大许多。
1、碳材料整体电化学电容器发展到关重要的部分，取决于对碳性质的理解，今后还将会仍然如此，特别是对于碳的分散形式和导电形式。
近年来，以石墨烯为代表，碳的各种同素异形体被进行了广泛的研究，在超级电容器方面，它不但可以单独做成一个电极，也可以与其它金属氧化物复合作成复合电极，从而被广泛的应用。
但碳更多的应用是以双电层的形式提供电容，而对于双电层形式碳电化学电容器，必须要求：具有高的实际比表面积，如达到1000m2/g；在多孔阵列中，粒子间具有良好的导电性；表面与电解液有良好接触。
此外，对于制造电容器来说，表面碳的粉末性和纤维性对电容器有至关重要的影响，能起到改善性质的作用。
理想的碳材料必须要避免杂质的影响和表面醌型结构带来的自泄漏过程。
同时碳基材料也在柔性超级电容器中发挥着多方面的作用：(1)优异的导电和机械性能，使其能够作为电子传输的通道和柔性骨架，这对于柔性超级电容器来说至关重要；(2)材料内部可控的孔隙结构可以提供电解液离子的多路径扩散，进而提高电极的比容量；(3)碳材料的易加工性保证了三维的(3D)微米/纳米结构的有效设计和构造，使得电化学性能得到显著地改善。
因此可以说，碳基材料在柔性超级电容器中将发挥不可替代的作用。
提到碳材料，不得不首先就提到最近很火的石墨烯，其电化学性能，比表面积（2675m2g-1）和机械性能与其它材料相比有着很大的优势。
其较廉价的制作方法是先将石墨先氧化成为氧化石墨烯，再进行还原。
但其电容性能不如直接制作的石墨烯好，但人们也在为之不断努力。
曼彻斯特大学的Amr M. Abdelkader等人通过用碱金属在其卤化物中还原氧化石墨烯的手段，得到了在电流密度为0.2A/g时电容为203F/g的超级电容器电极材料，同时也更加高产，廉价，短时。
但与气相沉积制成的石墨烯相比固然还有差距。
石墨烯同时由于其强大的电化学与力学性能，使其在柔性电极的制作中得于了广泛的应用，然而因为石墨烯片层的重新堆垛，使得目前的大多数石墨烯为基底的超级电容器，它的电容量，能量密度与功率密度依旧低于期望值。
就这一点而言，就急需层间强大的范德华力的相互作用。
近来Maher F. El-Kady等人利用DVD光雕技术还原了氧化石墨烯，得到了机械强度较高的石墨烯薄膜，并用着高的传导性（1738S/m）与高的比表面积（1520m2/g），从而可以不需要粘结剂与集电极，同时也有着高的能量密度与功率密度，同时有着极好的电化学循环稳定性，而且在受到较大的变形时依然可以保持其高的电化学性能[5]。
柔性材料需要高的电学与机械性能，从而好的离子传输性能成为了一个挑战，Choi的工作或许对其有了一定的缓解，他们用简单的方式合成的功能薄全氟磺酸还原态氧化石墨烯薄膜（f-RGO）改善了离子的传输性能，因为其电解质全氟磺酸。
同时全氟磺酸也充当了电化学粘结剂的作用。
结果使得这种材料制成的超级电容器表现出了2倍于其它全固态的石墨烯超级电容器的电容（118.5 F/g在1 A/g的电流密度下），和高的大电流放电能力（残留90%在30A/g的电流密度下），同时其容抗与阻抗也很小，促进了离子的扩散。
为什么这种材料能有如此优异的性能，原因有二：内部连接与紧密接触。
f-RGO内部的网状的连接构筑了快速且持续的电荷通道，而电极与电解质的紧密接触导致了低的电阻与高的力学强度性能。
同时在柔性弯曲测试与循环稳定性测试中，f-RGO都表现了卓越的性能，说明其也具有良好的机械性能。
故这种材料的成功制作提供了一便捷而又简单的方式去制作全固态柔性能量存储设备。
碳纤维可以分为碳微米纤维(CMFs)和碳纳米纤维(CNFs)。
前者己经通过将聚合物纺成微米纤维的方式实现大规模的工业化生产，由于CMFs具有质量轻、机械强度高、环境稳定性好等优异的性质，在航空、航天以及体育领域有着广泛的应用。
然而，CMFs的比表面积比较小，当活性物质的负载量比较高时，会导致活性物质形成一层很厚的膜，降低电化学反应过程中的电荷的有效传输和离子的有效扩散，从而影响其电化学性能。
为了克服这种缺点、提高电化学性能，可以减小碳纤维的直径，即制备CNFs，直径的减小会带来较大的比表面积和引入更多的结构。
在碳纤维的利用方面，制作的它经常与其它材料混合使用，但是用它作成的非对称超级电容器却有很多的难关要去突破。
但Dingshan Yu等人制作的氮掺杂碳纳米纤维在负极材料上却收获了很高的成效。
通过实验，得出把尿素，氧化石墨烯与碳纳米管以2：1：1的比例混合水热，可以得到较高的电容量（137 F/cm3）与较高的大电流电容特性。
另外，由于氮原子的引入，使得其电化学性能更进一步。
原因有三：第一，氮原子可以增加碳材料的表面润湿性，从而增加了与电解质的接触面积。
第二，石墨上的氮增加了碳材料的导电性，强化了传输。
第三，因为电解液为中性的硫酸钠溶液，所以氮原子还可以通过一些氧化还原反应提供赝电容。
2 金属氧化物与蓄电池相比，超级电容器具有较高的功率密度；与传统电容器相比，超级电容器具有较大的容量和较髙的能量密度，且工作温度范围宽、循环寿命长。
金属氧化物超级电容器的储能以赝电容为主，其电极材料主要有贵金属氧化物和贱金属氧化物。