超级电容器综述-1
超级电容器电极材料综述
1.4 超级电容器的性能指标
• 1. 比电容
单位为F/g
• 2. 功率密度, 也称比功率
超级电容器 电极材料的研究进展
Research Progress of Supercapacitor’s Electrode Material
Designed by PengTQ
目录
CONTENTS
1. 超级电容器概况
2. 电极材料研究进展 3. 展望
1.1
何为超级电容器
传统 电容 器
VS
超级电 容器
3. 展望
1.要有大的比表面积，高 比表面意味着有更多的反 应活性点。 2.要有合适的孔分布，孔 网络以及孔长度，这些条 件都有利于离子以较高的 速率传输。 3.复合电极的电荷传输电 阻要低。 4.有较高的电化学稳定性 和机械稳定性。
高比电容
电极材料
提高 能量密度
宽电势窗口
3. 展望
未来电极材料的发展有两个重要的方向:
2.1 碳材料
Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs )多壁碳纳米管 Hummers法剥离 Curved Graphene Nanosheets(CGN )弯曲石墨烯纳米片
Wang, Huanwen, et al. "Cutting and unzipping multiwalled carbon nanotubes into curved graphene nanosheets and their enhanced supercapacitor performance." ACS applied materials & interfaces 4.12 (2012): 6827-6834.
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(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。
超级电容器简介课件
THANKS
主要应用领域市场现状与趋势
总结词
电动汽车和可再生能源领域是超级电容器的最主要应用领域，未来市场份额将进一步扩 大。
详细描述
电动汽车和可再生能源领域是超级电容器最主要的应用领域。在电动汽车领域，超级电 容器可以提供快速充电和大功率放电，提高车辆的加速和爬坡性能。在可再生能源领域 ，超级电容器可以用于储存和释放能量，提高能源利用效率。未来，随着电动汽车和可
能量密度与功率密度
能量密度高
超级电容器具有较高的能量密度，能 够存储较多的电能，使得其在混合动 力汽车、电动车等领域具有广泛应用 。
功率密度高
超级电容器具有极高的功率密度，可 以在短时间内释放大量电能，适用于 需要瞬时大功率输出的场合。
循环寿命与稳定性
长寿命
超级电容器经过多次充放电循环后，性能衰减较小，循环寿命长，可达数十万 次以上。
再生能源市场的不断扩大，超级电容器的市场份额也将进一步增加。
市场竞争格局与挑战
总结词
超级电容器市场竞争激烈，企业需要不 断创新以保持竞争优势。
VS
详细描述
目前，全球超级电容器市场已经形成了较 为稳定的竞争格局，但随着新技术的不断 涌现和市场的不断扩大，竞争也日趋激烈 。企业需要不断加大研发投入，提高产品 性能和降低成本，以应对市场竞争的挑战 。同时，企业还需要加强与上下游企业的 合作，共同推动超级电容器市场的快速发 展。
响应速度
超级电感的响应速度较快， 能够快速提供和回收能量， 而超级电容器的响应速度相 对较慢。
储能密度
超级电容器的储能密度较高 ，能够存储更多的能量，而 超级电感的储能密度相对较 低。
应用范围
超级电感适用于高频、大电 流的应用场景，而超级电容 器适用于需要快速充放电和 长循环寿命的应用场景。
超级电容器综述
超级电容器综述电子技术查新训练文献综述报告题目超级电容器技术综述学号3130434055班级微电132学生赵思哲指导教师杨莺2014 年5.超级电容器的电极材料2.1超级电容器的电极材料电极材料是超级电容器的关键，它决定着超级电容器的主要性能指标.[5]科学家们对各种具有特定属性的材料已进行了研究，探讨超级电容器的潜力和适用性先进的超[6]级电容器具有高容量的性能，如碳基材料、过渡金属氧化物和导电聚合物。
2.1.1炭材料多孔炭材料比电容高，循环寿命长，且资源丰富、结构多样、成本适中，是超级电容器领域最为活跃的研究方向.如表2。
表2 各种炭材料和期前驱的关系[10]a 活性炭（AC）通过不同工艺炭化、活化制备的 AC 有很高的比表面积（1000～3000 m2/g），高的孔隙率，生产工艺简单且价格低廉，一直受到人们的青睐，是目前已经商品化的电极材料之一。
b 活性炭纤维（ACF)活性炭纤维（ACF）是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料，高比表面积的活性炭纤维布是已商品化的电极材料之一。
ACF 的制备一般是将有机前驱体纤维在低温（200～400 ℃）下进行稳定化处理，随后进行炭化活化（700～1000 ℃）。
ACF 具有比表面积高、孔径分布窄、导电性好及比电容高的特点。
如图1.（a）（b）吸脱附等温线（a）和孔径分布曲线(b)[5]图1 ACF的N2C 碳纳米管（CNTs）碳纳米管（CNTs）由于具有化学稳定性好、比表面积大、导电性好和密度小等优点，是很有前景的超级电容器电极材料。
d 炭气凝胶（CAGs）炭气凝胶（CAGs）是唯一具有导电性的气凝胶,具有导电性好、比表面积大、密度变化范围广等特点，且轻质、多孔、非晶态、块体纳米炭材料，其连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。
它的孔隙率高达 80%～98％，典型的孔隙尺寸小于 50 nm，网络胶体颗粒直径 3～20 nm，比表面积高达 600～ 1100 m2/g，是制备双电层电容器理想的电极材料[8]2.1.2过渡金属氧化物金属氧化物电极在超级电容器中产生的法拉第准电容 (赝电容 )比碳材料电极表面的双电层电容要大很多。
文献综述二氧化锰
第1章绪论1.1超级电容器简介超级电容器，也称电化学电容器，其性能介于电池和电容器之间。
近年来，电化学电容器（EC）因其高输出功率性能和循环寿命长，在电化学能量储存和转换领域得到了极大的关注。
作为一种主电源的可移动辅助能源设备，和电池或燃料电池一样，电化学电容器在短时间功率增强方面效果很好。
电化学电容器的电容材料电荷储存机制包括发生在电极和电解质界面处的电荷分离以及快速发生在电极上的法拉第反应。
由于电荷分离而产生的电容，通常被称为双电层电容（EDLC）。
因法拉第过程产生的电容器称为赝电容器。
因为这些类型的电容器电容量比传统的电容器大很多倍，所以又被成为超级电容器。
由于电荷分离而产生的电容，通常被称为双电层电容器（EDLC）。
因法拉第过程产生的电容称为法拉第准电容器。
因为这些类型的电容器电容量比传统的电容器大很多倍，所以称为超级电容器。
1.1.1超级电容与传统电池、电容器比较传统电池因为其功率密度值很难达到500kW/kg、充电时间长、充放电效率低、循环寿命短等缺点限制了它的发展，而静电电容器因为比电容太小而限制了其应用。
超级电容器则填补了电池和静电电容器之间的空白，它独特的性质使短时间大功率充放电储能机制成为可能。
表1.1 电池、静电电容器和超级电容器性能电池超级电容器静电电容器充电时间1~5h 1~30s 10-6~10-3放电时间0.3~3h 1~30s 10-5~10-3能量密度Wh/kg 20~100 1~10 <0.1功率密度Wh/kg 50~200 1000~2000 >10000 循环效率0.7~0.85 0.90~0.95 1.0循环寿命500~2000 >100000 无限通过图1.1，可以看出超级电容器具有另两种储能器件无法比拟的优点。
（1）充放电速度快，超级电容器是通过双电层充放电或者在电极活性材料表面发生的快速可逆的法拉第反应来进行充放电，这个过程几十秒就可以完成。
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。
超级电容器简介
超级电容器不含有有毒物质，对环境友好 ，且在使用寿命结束后可回收再利用。
02
超级电容器的应用领域
汽车工业
01
02
03
混合动力汽车
超级电容器可以提供瞬时 大电流，辅助发动机启动 和加速，提高燃油效率。
电动汽车
超级电容器可以快速储存 和释放能量，用于启动、 加速和制动回收，提高车 辆性能。
汽车零部件
产业链整合
通过整合上下游产业链，提高生产效率和降低 成本，企业将获得更多竞争优势。
跨界合作
与其他产业领域进行跨界合作，拓展超级电容器的应用领域和商业模式。
THANKS
谢谢您的观看
特点与优势
高功率密度
长寿命
超级电容器具有极高的功率密度，能够在 短时间内提供大量电能，适合用于需要瞬 时大电流的场合。
由于超级电容器的充放电过程中发生的电 化学反应较为温和，因此其寿命较长，可 达到数万次甚至数十万次充放电循环。
快速充放电
环境友好
超级电容器可以在短时间内完成充电，放 电速度也较快，提高了使用效率。
寿命与稳定性
薄膜电容器的寿命和稳定性较好，而 超级电容器的寿命和稳定性相对较差 。
Байду номын сангаас
05
超级电容器的市场前景与趋势
市场现状
市场规模
全球超级电容器市场规模持续增长，应用领域不断扩 大。
竞争格局
市场竞争激烈，主要集中在技术领先和品牌优势的企 业。
区域分布
全球超级电容器市场主要集中在中国、欧洲和北美等 地区。
超级电容器可用于汽车零 部件的能量回收和节能控 制，如座椅、车门等。
能源存储
可再生能源
超级电容器可以用于储存太阳能 、风能等可再生能源产生的电能 ，提高能源利用效率。
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
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)。
超级电容器汇总
3
三种超级电容器对比
三种超级电容器的优缺点对比
双电层电容器
工作温度范围宽
温度变化小
优
功率密度高
点
安全性高 寿命高
已商业化
缺
电压低 能量量密度大
功率密度低 电压低
除RuO2外研究中 成本最高
混合超级电容器
工作温度范围宽 能量密度高 安全性高 寿命高
产业化推进中 温度变化大 功率密度低 成本较高
活性炭 碳气凝胶 碳纳米管 石墨烯
金属氧化物
混合型超级电容器
静电和电化学作用共同储能
导电聚合物
对称型电极
非对称型电极
可充电电池型
复合电极材料 赝电容+双电层电极
8
3
3-1 双电层电容器
双电层电容原理
其储能过程是物理过程，没有化学反应且 过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能不同
由于正负离子在固体电极和电解液之间的表面上分别吸附， 造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。
法拉第赝电容器缺点：
由于电极反应牵涉到了化学反应过程，往往 会有不可逆的成分在，所以可逆性和循环性能相 对较差。
13
3
3-3 混合型超级电容器
定义：
一极采用传统的电池电极并通过电化学反应来储存和转 化能量，另一极则通过双电层来储存能量的一种超级电容器。
法拉第赝电容
双电层电容
混合型超级电容器是电容器研 究的热点。在超级电容器的充放电 过程中正负极的储能机理不同，因 此其具有双电层电容器和电池的双 重特征。混合型超级电容器的充放 电速度、功率密度、内阻、循环寿 命等性能主要由电池电极决定，同 时充放电过程中其电解液体积和电 解质浓度会发生改变。
超级电容器材料综述
超级电容器是一种新型的储能装置，具备充放电快、效率高、稳定性好等优点，是一种清洁的绿色能源,是21 世纪的新型绿色能源。
超级电容器有很大的市场潜力.通过对超级电容器电极材料进行研究，发现多孔碳材料作为超级电容器电极材料的电化学性能的影响。
目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低,且活性炭具有很高的比表面积,这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。
但是,活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢,但是它的成本低，基本可以满足市场的要求,因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。
因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向,从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。
目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。
碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。
但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究.1、活性炭材料对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭,一般表面积可以高达1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。
是一种已经商品化的超级电容器电极材料。
活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。
2、炭气凝胶电极材料炭气凝胶是一种交联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大,孔隙率高，孔径分布广,是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。
密度跨度大，孔隙率好,而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料,同时，在制备的时候,可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度.3、碳纳米管碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。
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MicrosoftWord文档
超级电容的容量比通常的电容器大得多。
由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也有称作“电容电池”。
超级电容属于双电层电容器,它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
超级电容器原理电化学双层电容器(EDLC)因超级电容器被我们所熟知。
超级电容器利用静电极化电解溶液的方式储存能量。
虽然它是一个电化学器件,但它的能量储存机制却一点也不涉及化学反应。
这个机制是高度可逆的,它允许超级电容器充电放电达十万甚至数百万次。
超级电容器可以被视为在两个极板外加电压时被电解液隔开的两个互不相关的多孔板。
对正极板施加的电势吸引电解液中的负离子,而负面板电势吸引正离子。
这有效地创建了两个电荷储层,在正极板分离出一层,并在负极板分离出另外一层。
传统的电解电容器存储区域来自平面,导电材料薄板。
高电容是通过大量的材料折叠。
可能通过进一步增加其表面纹理,进一步增加它的表面积。
过去传统的电容器用介质分离电极,这些介质多数为:塑料,纸或薄膜陶瓷。
电介质越薄,在空间受限的区域越可以获得更多的区域。
可以实现对介质厚度的表面面积限制的定义。
超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料。
这种材料的多孔结构,允许其面积接近2000平方米每克,远远大于通过使用塑料或薄膜陶瓷。
超级电容器的充电距离取决于电解液中被吸引到电极的带电离子的大小。
这个距离(小于10埃)远远小于通过使用常规电介质材料的距离。
巨大的表面面积的组合和极小的充电距离使超级电容器相对传统的电容器具有极大的优越性。
超级电容器内部结构超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。
由于制造商或特定的应用需求,这些材料可能略有不同。
所有超级电容器的共性是,他们都包含一个正极,一个负极,及这两个电极之间的隔膜,电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。
图1. 超级电容器结构超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。
超级电容器(1)
➢ 软包装的应用
➢ 模块化、独立功能化设计。
三、超级电容器生产情况
1. 超级电容器发展简介
❖ 1954年第一份超级电容器的专利 ❖ 小尺寸超级电容器：
1978年， 松下，Goldcap牌，最早产品； 1980年，NEC公司； 80年代末，ELNA公司；等。
活性炭
1、多孔电容炭材料
➢ 优势：
（1）成本较低； （2）比表面积高；
（3）实用性强； （4）生产制备工艺成熟； （5）高比容量，最高达到500F/g，一般200F/g。
➢ 性能影响因素：
（1）炭化、活化条件，高温处理；
（2）孔分布情况；
（3）表面官能团 （4）杂质。
➢ 研究趋势： 材料复合、降低成本
2、高中孔孔容 12~40Å 400l/g，
大于40Å的孔容 50l/g，
3、高电导率 4、高的堆积比重 5、高纯度 灰份 < 0.1% 6、高性价比 7、良好的电解液浸润性
各指 标间 相互 矛盾
1、多孔电容炭材料
❖ 已研制的电容炭材料
活性炭（粉、纤维、布）
——应用最多的电极材料
纳米碳管 碳气凝胶 活化玻态炭 纳米孔玻态炭
双电层电容器放电状态电位分布曲线
Prifile of the potential across an electrochemical double-layer capacitor in the discharged condition
准电容原理
➢ 准电容原理则是利用在电极表面及其附近发生在 一定电位范围内快速可逆法拉第反应来实现能量 存储。这种法拉第反应与二次电池的氧化还原反 应不同。
- 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)。
材料科学导论课程论文题目：院（系）：专业：姓名：学号：E–mail：超级电容器的研究综述摘要：超级电容器具有储存能量大、比功率大、耐低温、免维护、低污染等突出优点，广泛地应用在启动、牵引动力、脉冲放电和备用电源等领域。
综述了超级电容器的发展和超级电容器的研究进展，认为要想更大地提高超级电容器的比容量和储能密度等，需要进一步对电极材料、电解质材料、加工工艺、结构设计等方面进行研究。
关键词：超级电容器；电极材料；电解质材料Research summary of supercapacitorAbstract: Supercapacitor could be used in start, traction, pulse-discharge and standby power with the advantages of high energy, high specific power, low temperature tolerance, maintenance free and low pollution. The research progress of supercapacitor and the development of super- capacitor were reviewed. It was concluded that in order to increase the specific capacity and energy density of supercapacitor, it was necessary to research the electrode materials, electrolyte material ,processing technology and structure design further.Key words: supercapacitor；electrode material；electrolyte material前言：超级电容器是位于电池和传统电容器之间的一种性能卓越的致密能源，具有储存能量大、质量轻、比容量大、比功率大、大电流放电性能好、能快速充电、循环次数多、耐低温、免维护、低污染等突出优点，可以作为独立电源或复式电源使用，广泛地应用在启动、牵引动力、脉冲放电和备用电源等领域。
超级电容器的问世，实现了电容量由微法拉级别向法拉级别的飞跃，彻底改变了人们对电容器的传统印象，实现了电源技术的一次重大革命。
一、超级电容器发展超级电容器电容量可达数千法拉。
根据电容器的原理，电容量取决于电极间的距离、介质、电极表面积。
为了获得如此巨大的电容量，超级电容器尽可能地缩短电极间的距离，增大电极表面积，为此利用双电层原理并采用椰壳活性碳多孔化高表面积电极。
双电层介质在电容器两电极间施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带的电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成真正意义上的电容器的两个电极。
由于两电极间距离极小，电极表面积极大，从而这类电容器具有极大的电容，可以储存极大的静电能量。
当两极间电势低于电解液的氧化还原电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器正常工作，若电容器两端电位高于电解液的氧化还原电位时，电解液会分解，这是异常现象。
由于随着超级电容器放电，正、负极板的电荷向外电路释放，电解液界面上的电荷相应减少。
这里看出，超级电容器的放电 / 充电过程始终是物理过程，没有化学反应[1]。
1983年，Raistrick & Huggins成功地开发出很有市场潜力的商业化超级电容，被冠名为“Supercapacitor”。
进入20世纪90年代后，为了满足机动车辆引擎的快速反应能力，延长蓄电池的使用寿命，人们开始着手考虑将超级电容与蓄电池联合使用，组成复合电源，以期达到特定要求，特别是电动车(EV)、高性能脉冲系统要求。
美国能源部(DOE)以及欧洲共同体为此目的还专门制定了近期和远景规划。
电化学超级电容器已经成为当前能源领域研究的热点。
目前，根据储能机制，超级电容器可分为电化学双电层超级电容器、过渡金属氧化物超级电容器和导电聚合物超级电容器；根据正负极活性物质是否为同一物质，将超级电容器分为对称型超级电容器和混合型超级电容器；根据电容器所用的电解质不同，将电容器分为水溶液的超级电容器(工作电压1～2V)和有机电解液的超级电容器(工作电压2～4 V)；按照结构和加工技术，超级电容器又可划分为利用MEMS 工艺形成的微型电容器和利用传统技术方法制作的普通超级电容器。
(1)更高的功率密度。
电化学超级电容器的放电电流可以达到上百安培，在大电流应用场合，特别是高能脉冲环境，电化学超级电容器可以更好地满足功率的要求。
(2)充放电时间短。
电化学超级电容器的一个充放循环时间很短，远远低于蓄电池的充放循环所需要的时间。
这可以很好地满足电动汽车在启动、爬坡时对放电时间要求短的场合。
(3)有更长的使用寿命。
电化学超级电容器的循环使用寿命可达10 万次以上，比目前最好的电池的寿命也要长100倍左右。
(4) 更宽的工作温度范围。
电化学超级电容器可以在－45～70℃正常工作，而普通蓄电池的低温和高温性能很差。
小型的超级电容器主要用于各种微处理机、玩具车、闪光灯、电动手工具等；大型的超级电容器则主要用于各种内燃机的启动电源、电网闪络的保护和UPS、电动起重机的吊件位能回收、电力高压开关的分合闸操作、核反应堆控制、防护设备、航空通讯设备、无线电通讯、电阻焊机及科研测试设备等。
二、超级电容器机理超级电容器根据储能机理，可分为双电层电容器(electric double—layer capacitor，EDLC)和法拉第准电容器(faradaic pseudocapacitor)两类。
EDLC是通过电极与电解质形成的界面双电层存储静电能的，其电极材料主要是碳基材料；法拉第赝电容则是通过电极表面与电解质的快速可逆氧化还原反应或吸脱附存储电能，电极材料主要是过渡金属氧化物(RuO2、MnO2、NiO、Fe3O4和Co3O4等 ) 和导电聚合物 ( 聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等 )。
法拉第准电容器的储存电荷过程包含了两部分：不仅有双电层上的存储，还有电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中的部分，因此通常具有更大的比电容。
如RuO2等金属氧化物在电极/ 溶液界面法拉第氧化还原反应产生的准电容是双电层电容的10~l00 倍，远大于碳基电极材料表面的双电层电容，在高能量密度方面具有明显优势。
最近又出现了一种正负极分别采电池材料和活性炭材料的混合超级电容器由于传统化石能源日益减少，以及人们对环境的要求越来越高，大中型城市对清洁能源的需求将更为迫切。
以动力电源取代现有汽车的燃油驱动成为一种有效的途径。
超级电容器功率密度大，但其能量密度低，无法满足动力电源的需求。
电池则正好与超级电容器相反，其能量密度高但功率密度小。
因此，皆具大功率密度和高能量密度的混合型超级电容器（超级电池电容器）应运而生。
根据超级电容器的种类和发展，其分类可如右图所示。
三、超级电容器电极材料分类：1.碳基电极碳材料是最早被应用于电化学电容器的电极材料，也是目前商业化最广泛的电极材料。
碳电极的电容主要来源于界面的双电层。
它价格低廉，物理化学性能稳定，工作温度范围较宽，易于工业化生产，主要以活性炭为主。
活性炭的来源丰富，木材、果壳、煤炭、石油焦等都可用来制备活性炭。
Jang Y等利用功能化的活性炭纳米粒子(FACNs)和可交联的聚合物粘合剂制备了性能颇好的超级电容器。
由于材料表面官能团的作用，FACNs纳米复合物电极比电容为154 F·g-1，能量密度为18 Wh·kg-1，且在高扫速下循环伏安曲线仍近似矩形，循环性能良好，容量较大。
此外，由于基本难以实现完全的双电层电容，电极表面上往往还会伴随一些法拉第氧化还原过程的进行。
碳电极表面通常有醌式结构存在，这些具有氧化性或还原性的官能团会发生化学反应而提供法拉第电容。
碳电极电容器生产成本低廉，但其结晶性差，不利于电荷传输过程中电子的转移，能量密度不够高。
近年来为了提高其能量密度而在碳基材料的结构、形貌研究方面已取得很多进展，一些新型碳材料（C60、碳纳米管等 ) 在电化学电容器方面的应用也得了一定的进展，如M．G．Sullivan等利用阳极氧化修饰玻璃碳电极，得到100 F/cm3的体积比容量。
但由于其最终的比电容被EDLC的储电机制限制而无法产生飞跃性的提高。
2.石墨烯超级电容器石墨烯是二维sp2杂化碳结构的，其具有理想的单原子层厚度，理论比表面积高达2630 m2/g，且导电性能和化学稳定性良好，理论比容量约为550 F/g，被认为是双电层超级电容器的理想电极材料[2-3]。
2006 年Song 等[4]开创了石墨烯应用于超级电容器电极材料的研究。
Stoller 等[5]在2009 年也报道了石墨烯在超级电容器上的应用，化学修饰的石墨烯在水溶液和有机溶剂中比容量分别为135 F/g 和99 F/g。
Wang 等[6]以肼蒸气还原氧化石墨制备的石墨烯作为电极材料，获得了205 F/g 的比容量。
石墨烯双电层电容器可逆性好，电荷迁移路径短且电解液与电极接触面积大，具有较高的功率密度和良好的循环稳定性。
但石墨烯有较强的回叠趋势，导致其实际比表面积远远低于理论值，从而其比容量和功率密度也大为降低[7-8]。
制备石墨烯基复合物是有效减小石墨烯回叠，提高石墨烯电化学性能的重要方法，也是石墨烯超级电容器广泛应用的趋势。
3.金属氧化物电极由于碳基电极存在种种不可避免的缺陷，利用金属氧化物代替碳基材料作为超级电容器电极的热潮悄悄掀起。
金属氧化物靠自身的氧化还原反应来获得赝电容(Pseudo- capacitance)，使得金属氧化物电极材料具有比碳基材料更高的比电容。
Conway B E.等首先发现了RuO2所具有的赝电容特性，其形态结构对比电容有很大影响。
晶体RuO2的理论充电密度可达1450 C/g，平均比电容约为1036 F/g，但实际获得的比电容远远低于理论估算值。
这可能是因为大多数过渡金属氧化物都属于半导体甚至是绝缘体，电荷转移困难从而极大的影响了其容量的释放以及倍率性能。
金属氧化物作为电极材料的循环寿命一般较小，且很多金属氧化物具有毒性，成本又较高，需要科研工作者研发更理想的电极材料替代金属氧化物。
4. 导电聚合物电极导电聚合物是一类重要的电极材料，其储能主要通过法拉第赝电容来实现。
其机理可解释为，在充放电过程中，导电聚合物的共轭链上会进行快速可逆的n型或者p型掺杂和去掺杂的氧化还原反应，从而使聚合物具有较高的电荷密度，最终产生很高的法拉第准电容，实现电能的储存。