混合型超级电容器的研究进展
混合型超级电容器的相关理论和实验研究共3篇
混合型超级电容器的相关理论和实验研究共3篇混合型超级电容器的相关理论和实验研究1混合型超级电容器的相关理论和实验研究超级电容器是一种具有高能量密度和高电功率密度的电化学储能器件，其可充放电次数高、循环寿命长，具有良好的适应性和可靠性等优点，是一种高性能的储能器件。
混合型超级电容器是将电化学双层电容和伪电容两种不同的储能机制相结合而成的一种新型超级电容器，具有高能量密度和高输出功率密度的特点，成为近年来研究的热点之一。
混合型超级电容器的工作原理是将电解质溶液浸泡在电极材料表面，电极电荷和电解质之间存在电荷分离作用，形成双层电容贡献和伪电容贡献两个分量。
其中双层电容是由电极上的电荷分布在电解质界面上产生的电势差形成的，其储能量与电极表面积成正比。
而伪电容则是由氧化还原反应在电解质溶液中带来的电荷转移产生的，其储能量与反应物的浓度和电极材料的表面积成正比。
混合型超级电容器的电极材料主要有活性炭、金属氧化物、导电聚合物等。
活性炭是一种具有优异的比表面积和孔隙结构的材料，能够利用其丰富的孔隙结构提高电极表面积和储能效率。
金属氧化物如纳米二氧化钛、二氧化铪等具有高比表面积和优异的导电性能，且具有氧化还原反应的催化作用，能够提高伪电容的储能量。
导电聚合物如聚噻吩、聚苯胺等具有优异的传导性能和电化学稳定性，能够提高电极材料的可操作性和稳定性。
混合型超级电容器的电解质溶液主要有有机电解液和无机电解液两种类型。
有机电解液是由有机溶剂和电解质盐组成的溶液，具有高电导率、低结晶性和良好的界面活性等优点，且能够为电极提供更大的电位窗口和较高的伪电容储能贡献。
无机电解液则是由无机化合物和水组成的溶液，具有良好的电化学稳定性和较高的导电性能，但存在结晶和水解等问题。
实验研究表明，混合型超级电容器具有高能量密度、高输出功率密度、快速充放电、长循环寿命等优异性能。
在混合型超级电容器的研究中，需要解决的问题包括：提高电极材料的比表面积、优化电解质溶液的成分、提高电极与电解质的亲和性等。
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。
混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用研究
混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用研究近年来，智能家居系统的兴起为人们的生活带来了诸多便利和舒适。
然而，随着智能家居系统的不断普及和发展，其能耗问题逐渐凸显，因此如何在智能家居系统中实现节能成为了亟待解决的问题。
混合型超级电容器作为一种高性能的储能设备，具有能量密度高、寿命长、充放电速度快等优点，广泛应用于能源领域。
本文将探讨混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用研究。
首先，混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用主要表现在以下几个方面。
第一，储能与供能平衡。
智能家居系统中的各种设备和传感器都需要不断地供电，传统的电池供电方式存在能量密度低、寿命短的问题，而混合型超级电容器则能够有效地提供持续稳定的能量。
通过将混合型超级电容器作为主要的储能设备，可以实现储存电能和供应电能之间的平衡，从而提高智能家居系统的能效。
第二，能量回收与利用。
在智能家居系统中，许多设备和传感器的能量消耗都相对较小，但是传统的供电方式往往需要较高的电压来保证设备和传感器的正常运行，造成了能量的浪费。
而混合型超级电容器能够高效地回收并利用这些较小的能量。
通过将混合型超级电容器与能量回收设备相结合，可以将不同设备和传感器产生的能量捕获并储存起来，然后再供给其他需要能量的设备，从而实现能量的高效利用。
第三，功率平衡和调节。
智能家居系统中的各种设备和传感器的功率需求经常发生变化，传统的供电方式往往无法满足这种需求。
而混合型超级电容器具有快速响应和高功率输出的特点，能够实现对功率的平衡和调节。
通过将混合型超级电容器作为功率储备设备，可以满足智能家居系统中设备和传感器功率需求的变化，并确保系统的稳定运行。
其次，在实际应用中，混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用面临一些挑战。
首先，混合型超级电容器的成本较高。
与传统的电池相比，混合型超级电容器的制造成本较高，这限制了其在智能家居系统中的大规模应用。
因此，降低混合型超级电容器的制造成本，提高其性价比，是实现混合型超级电容器在智能家居系统中节能应用的关键。
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。
混合型超级电容器在微型风力发电系统中的应用及性能评估
混合型超级电容器在微型风力发电系统中的应用及性能评估引言：近年来，清洁能源的需求日益增加，其中微型风力发电系统作为一种可持续发展的能源解决方案，备受关注。
然而，微型风力发电系统的可靠性和能量存储问题一直存在挑战。
混合型超级电容器作为一种高能量密度、长寿命和高效能量储存装置，吸引了越来越多研究者将其应用于微型风力发电系统。
本文将探讨混合型超级电容器在微型风力发电系统中的应用，并对其性能进行评估。
1. 混合型超级电容器的基本原理和结构混合型超级电容器是一种新兴的能量储存装置，结合了电化学电容器和双层电容器的优点。
它基于电化学原理，通过离子在电解质中的吸附和脱附来存储电荷。
其基本结构包括两个电极和电解质，电极通常由活性材料和电解质隔膜构成。
2. 混合型超级电容器在微型风力发电系统中的应用2.1 微型风力发电系统的能量存储需求微型风力发电系统的输出能量存在不稳定性和间断性。
在风力资源充足时，产生的电能可能超过需求，而在风力较弱或无风时则无法提供足够的电能。
因此，能量储存系统成为微型风力发电系统中的必不可少的组成部分。
2.2 混合型超级电容器的应用优势混合型超级电容器具有高能量密度、长寿命、低内阻和快速充放电等优点，使其成为理想的能量储存解决方案。
与传统的蓄电池相比，混合型超级电容器具有更高的充放电效率和更短的充电时间，能够更好地适应微型风力发电系统的短周期充放电需求。
3. 混合型超级电容器在微型风力发电系统中的性能评估3.1 能量存储与释放效率混合型超级电容器的能量存储与释放效率是评估其性能的重要指标之一。
通过实验测试，可以得出混合型超级电容器的充电和放电效率，并与其他能量储存装置进行比较。
3.2 循环寿命和稳定性循环寿命是混合型超级电容器能否长期稳定工作的重要因素。
通过模拟实际使用情况，进行多次充放电循环测试，以评估混合型超级电容器的寿命和稳定性。
3.3 能量密度和容量混合型超级电容器的能量密度和容量是决定其是否适用于微型风力发电系统的关键指标。
混合型超级电容器在电动自行车中的电池寿命优化设计
混合型超级电容器在电动自行车中的电池寿命优化设计随着现代社会对环境保护的迫切需求以及对新能源交通工具的需求增加，电动自行车作为一种环保、方便、经济的交通工具逐渐成为人们的首选。
然而，电动自行车在使用过程中面临的一个关键问题是电池寿命的限制。
混合型超级电容器作为一种新型高性能电池，在电动自行车中的电池寿命优化设计中发挥着重要的作用。
混合型超级电容器是一种结合了电化学电容器和电化学电池特性的设备，具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命等优势。
在电动自行车中，混合型超级电容器可以作为一个辅助电源，为电动自行车电池提供快速充放电的能力，从而减轻电池的负荷，延长电池的寿命。
首先，混合型超级电容器可以通过快速的充放电特性为电动自行车提供瞬时的高电流输出。
在电动自行车的启动过程中，需要较大的电流来提供足够的动力，而传统电池往往无法满足这个需求。
采用混合型超级电容器作为辅助电源，可以在电动自行车启动瞬间释放较大电流，提供所需的动力，从而减少电池在启动过程中的负担，延长电池的使用寿命。
其次，混合型超级电容器具有快速的充电特性。
在电动自行车的充电过程中，传统电池需要较长的时间才能将电能充满。
而使用混合型超级电容器作为辅助电源，充电过程可以更加迅速，缩短充电时间。
这样可以减少电动自行车充电过程中对电池的消耗，延长电池的使用寿命。
另外，混合型超级电容器具有较长的循环寿命。
传统电池在长时间使用过程中，由于内部化学反应的变化以及充放电过程中的损耗，往往会出现容量下降的问题，导致电池的使用寿命缩短。
而混合型超级电容器由于其特殊的结构和材料组成，可以实现较长的循环寿命，减少电池性能的衰减，延长电池的使用寿命。
除了上述的优势，混合型超级电容器还具有较高的功率密度和能量密度。
这意味着混合型超级电容器可以在相对较小的体积和重量下提供更多的功率和能量。
对于电动自行车这样对空间和重量要求较高的交通工具来说，使用混合型超级电容器可以在保证动力和续航能力的同时减少重量和体积的负担，提高车辆的性能和便携性。
混合离子超级电容器前沿研究进展-吴喜兵
质量比能量密度 质量功率密度
在 电 化 学 站 （ VMP3 ， Bio-Logic ， France ） 上 进 行 所 制备样品的循环伏安法（CV），恒电流放电（GD）， 恒电流充电/放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）。 根据下面的等式从CV或GCD曲线计算质量比电容（C m），质量比能量密度（Em）和质量功率密度（P m），其中i是施加的电流，v是扫描率，△t是放电 时间，△U是工作电压窗口，m是活性材料的质量。
电容值时不考虑。对于大多数报道的结果，当质量负荷 达到几毫克时，C m值可以达到100-200Fg-1随着扫描速 率的增加，C m值相应地减小，但在50mV s -1的扫描速率 下仍然表现出145 F g -1的值。当扫描速率增加50倍时， 获得约71.8％的电容保持率，这证实了rGO / MnO x复合 电极的优异的速率性能。
为了进一步研究电化学性能rGO / MnO x电极，GCD 性能也进行了评估，如图所示，电流密度范围为2Ag -1至 20A g -1在图4c中。在电流密度为2Ag -1时，根据方程（2） 计算出的C m为164 F g -1，在电流密度为10 A g时，它可 以保持在约140 F g -1的值。通过在12Ag -1的电流密度下 重复充电/放电测试来研究该电极的循环性能，如图4d所 示。值得注意的是，在282小时的连续充电/放电时间之
根据基于方 程 （1）的CV测 试计算的印刷的 rGO / MnO x电极的C m值作为扫描速率的函数，如图4b所示。 在1mV s -1的扫描速率下，电极的最大C m值为202 F g -1， 质量负荷为2 mg cm -2。虽然在大多数情况下，当电极材
料的质量负载非常低并且需要在高比表面积集电器上覆 盖材料时，可以获得高C m值（B1100 F g？1）， 在计算
超级电容器的研究进展
超级电容器的研究进展摘要：超级电容器是一种新型储能装置，它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
近年来，各种新兴材料的发展，为超级电容器电极材料的选取提供了更多的选择条件，促进了超级电容器的快速发展。
本文总结了超级电容器的特点，重点介绍了超级电容器的工作原理、分类以及超级电容器的材料。
并简要展望了超级电容器电极材料的发展方向和前景。
关键词：超级电容器碳电极贵金属氧化物导电聚合物Abstract: Super capacitor is a new type of energy storage device. It has the characteristics of high power density, short charging time, long service life, good temperature characteristics, energy saving and green environmental protection. In recent years, the development of a variety of new materials, for the selection of the super capacitor electrode materials to provide more options to promote the rapid development of the super capacitor. This paper summarizes the characteristics of the super capacitor, and introduces the working principle of the super capacitor, classification and the material of the super capacitor. And briefly discussed the developing direction of super capacitor electrode materials and prospect.Key words: Super capacitor Carbon electrode Precious metal oxide Conducting polymer一、引言超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹(1821～1894)提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器，又叫电化学电容器( Electrochemcial Capacitor, EC) 、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。
超级电容器的研究进展及其在新能源领域中的应用
超级电容器的研究进展及其在新能源领域中的应用近年来，越来越多的人开始意识到新能源的重要性，而超级电容器作为重要的能源储存设备，备受人们的关注。
本文将介绍超级电容器的研究进展以及其在新能源领域中的应用。
一、超级电容器的研究进展超级电容器是一种能够储存和释放能量的设备，它与传统的电池不同，电容器可以快速充放电且寿命较长。
随着技术的不断改进，超级电容器的性能也得到了很大的提升。
1.1 材料研发超级电容器的性能很大程度上取决于储存介质的材料。
传统电容器使用的是电解质，而超级电容器使用的是活性碳、金属氧化物等材料。
目前，研究人员致力于开发新的储存介质，如金属材料、纳米纤维等，以提高超级电容器的性能。
1.2 结构设计超级电容器的结构设计也是影响其性能的关键因素。
采用不同的结构设计，可以提高电容器的能量密度和功率密度。
当前，研究人员正在探索多种结构设计，如半球形或石墨烯包覆的超级电容器等。
1.3 改进制备工艺超级电容器的制备工艺也是影响其性能的一个关键因素。
目前，研究人员正致力于改进预处理工序、电极浸渍工艺等，以提高超级电容器的性能。
二、超级电容器在新能源领域中的应用超级电容器在新能源领域中有广泛的应用，包括电动车、储能系统等。
2.1 电动车电动车需要一个可靠的能源储存设备。
超级电容器具有快速充放电、寿命长等特点，是一种适合用于电动车的储能设备。
超级电容器还能提高电动车的动力性能和续航里程，因此越来越受到关注。
2.2 储能系统超级电容器在储能系统中也有重要的应用。
在发电系统和能源系统之间，需要一种缓冲机制，可以储存电能并在需要时快速释放。
超级电容器可以很好地满足这个需求。
此外，超级电容器还可以协助防止电力峰值和电压下降等问题，提高能源利用效率。
三、结论超级电容器已经成为新能源领域中的重要组成部分，越来越多的研究人员开始关注其研究和应用。
未来，随着技术的不断提升，超级电容器的性能将会进一步提高，其在新能源领域中的应用将变得更加广泛。
超级电容器研究报告
超级电容器研究报告超级电容器是一种新型的电容器，它具有高能量密度、长循环寿命、高功率密度和快速充放电速度等优点，因此在能量存储领域具有广泛的应用前景。
本文将对超级电容器的研究进展进行综述，并重点讨论其结构设计和电化学性能。
首先，超级电容器的结构设计是实现高能量密度和高功率密度的关键。
常见的超级电容器结构包括电双层电容器（EDLC）、赝电容器以及混合型电容器。
电双层电容器以电解质溶液为介质，在正负极之间形成两层电容层，通常采用活性碳或其他复合材料作为电极材料。
赝电容器利用电化学反应的产物在电极表面形成高表面积氧化物膜，从而增加电容。
混合型电容器结合了电双层电容器和赝电容器的优点，通过选取合适的电解质和电极材料来调控其性能。
其次，超级电容器的电化学性能是评价其优劣的重要标准。
典型的电化学性能包括电容、循环寿命、内阻以及充放电速度等。
电容是超级电容器存储能量的能力，常常通过比电容（F/g）来表示，较高的比电容意味着更多的能量存储。
循环寿命是指超级电容器在多次充放电循环过程中维持良好性能的能力，一般来说，超级电容器应具有较长的循环寿命。
内阻是超级电容器充放电过程中能量损耗的主要原因之一，过高的内阻会导致能量转化效率低下。
充放电速度是超级电容器响应时间的重要指标，快速充放电速度有助于提高能量存储效率。
目前，超级电容器的研究主要集中在材料的开发和结构设计上。
对于电极材料的开发，一方面，需要寻找具有高比表面积和可调控孔隙结构的材料，以增加电容；另一方面，需要寻找具有良好电导性和高的电化学活性的材料，以提高充放电速度。
对于电解质的优化，需要寻找具有较高离子电导率和良好化学稳定性的电解质。
此外，结构设计也是提高超级电容器性能的重要途径，例如引入新的纳米结构、支撑材料等。
总之，超级电容器作为一种新型的高能量密度储能装置，在能源领域具有巨大的应用潜力。
未来的研究将集中在材料的开发、结构设计的优化以及性能的改进上，以进一步提升超级电容器的性能，并推动其广泛应用。
锂离子混合超级电容器电极材料研究进展
子电池功率密度高的优点. 因此, 锂离子混合超级电 容器有望应用于电动汽车、电气设备军事和航空航天 设施等高能量大功率型的电子产品领域.
图 1 不同化学储能体系比较[2]
引用格式: 郑宗敏, 张鹏, 阎兴斌. 锂离子混合超级电容器电极材料研究进展. 科学通报, 2013, 58: 3115–3123
(1) 电解液消耗机制. 该体系一般以锂脱嵌化 合物或金属氧化物作为负极, 电容活性材料(一般为 活性炭)作为正极. 同超级电容器双电层机理类似, 在充电过程中, 电解液中的阴阳离子会在电场的作 用下分别向正负极移动, 不同的是在该体系中仅在 正极产生双电层, 而负极发生锂离子的嵌入或还原 反应. 内部反应机理如图 2 所示: 充电时, 电解质中 的阴离子向正极(如活性炭)迁移并产生吸附电容, 同 时 Li+向负极(如钛酸锂、石墨等)迁移并发生嵌入反 应; 放电时, 负极材料中的 Li+脱出回到电解液中, 同时正极也释放吸附的阴离子, 达到电解液电荷的 平衡. 属于电解液消耗机制的典型混合电容器体系 有钛酸锂/活性炭体系、石墨/活性炭体系等.
2 锂离子混合超级电容器
锂离子混合超级电容器的电极材料既包含具有 电荷吸附活性的高比表面积的电容活性材料, 又包 含可与锂离子发生可逆脱嵌或氧化还原反应的电池 材料. 其能量存储过程既包含锂离子与电极材料体 相发生的可逆法拉第化学反应, 又包括电化学活性 材料对离子的可逆吸脱附过程. 锂离子混合超级电 容器的能量特性取决于电容活性材料对电荷吸脱附 行为, 功率特性取决于 Li+在电池材料体相中的扩散 动力学. 与锂离子电池相比, 电容活性材料的使用一 方面会降低体系的比能量密度, 但另一方面使锂离 子混合超级电容器实现快速充放电, 因而具有更高 的比功率密度. 与法拉第准超级电容器相比, 锂离子 混合超级电容器中锂离子与电池材料体相发生的法 拉第氧化还原反应较慢, 会使其功率密度稍有降低,
超级电容器的研究进展及其在储能方面的应用
超级电容器的研究进展及其在储能方面的应用随着社会的快速发展，世界各国对于可再生能源的需求越来越大。
然而，由于可再生能源的波动性和不稳定性，能源的存储成为了一个难题。
而超级电容器的研究和发展为解决能源存储问题提供了一种新的思路。
超级电容器是一种高能量密度、高功率密度、长寿命、低内阻、自放电极低、环保无污染的新型电子元件。
超级电容器相比于传统的电池，其充电速率快，能量传递效率高，使用寿命长，而且极低的自放电率也使得它们成为储能领域的新宠。
因此，超级电容器的研究和发展备受关注。
目前，国际上的超级电容器研究已经得到了很大的发展。
其中，碳材料和半导体材料是目前被广泛研究和商业化应用的两种材料。
碳材料的超级电容器由于具有高比电容、高能量密度、长循环寿命等优良性能，已经在电动汽车、太阳能电站等领域进行了应用。
而半导体材料的超级电容器由于其电化学能储量大、充放电速率快、电压稳定性好等优势，被广泛应用在电子设备、医疗设备和通信设备等领域。
除了碳材料和半导体材料，金属氧化物、聚合物、纳米材料等材料也受到了关注。
近年来，许多研究表明，纳米材料可以在提高电极比表面积和导电性能的同时，显著提高超级电容器的能量密度和功率密度。
在实际应用中，超级电容器的储能技术不仅可以在储能领域得到广泛应用，也可以在节能环保领域、新能源利用领域、军事领域等得到广泛应用。
比如，超级电容器可以在太阳能、风能、水能等新能源开发中起到重要作用；它还可以帮助军事装备实现快速充放电，满足高速传输和快速索敌的需求。
超级电容器也可以解决传统电池存在的问题。
首先，传统电池的充电时间较长，而超级电容器的充电速率快。
其次，超级电容器的使用寿命比传统电池长，有效地降低了维护维修成本。
同时，超级电容器具有循环可充电、低自放电、无污染等优点，符合国家环保要求。
当然，超级电容器在储能技术上还存在一些问题。
比如，目前超级电容器的能量密度相对较低，需要进一步提高；充放电周期有限，需要不断改进材料、结构等方面。
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。
混合型超级电容器的研究进展
化
学
进
展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol. 23 No. 2 /3 Mar. ，2011
混合型超级电容器的研究进展
刘海晶 夏永姚
*
（ 复旦大学化学系 上海市分子催化与先进材料重点实验室 新能源研究院 摘 要
上海 200433 ）
2 4
Contents
1 2 2. 1 2. 2 3 3. 1 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 3. 6 3. 7 4 Introduction Synopsis of electrochemical supercapacitor Principle and classification of supercapacitor Characteristics of supercapacitor Researches and progress of hybrid supercapacitor Activated carbon / NiOOH （ FeOOH ） hybrid supercapacitor Li 4 Ti 5 O 12 / activated carbon hybrid supercapacitor Activated carbon / graphite hybrid supercapacitor Lithium-ion battery carbon materials / activated carbon hybrid supercapacitor Aqueous lithium-ion battery materials / activated carbon hybrid supercapacitor Activated carbon / metal oxides hybrid supercapacitor Activated carbon / polymer hybrid supercapacitor Conclusions and outlook
锌离子混合超级电容器的研究和应用
摘要构建和制造高功率和高能量密度、长寿命、绿色无污染的新型电化学能源系统对现代社会的发展具有重要意义。
传统的储能设备主要包括电池和超级电容器，但是它们各自的缺陷限制了其进一步发展，例如电池的功率密度低和循环稳定性差，超级电容器的能量密度低。
超级电容器-电池型混合超级电容器（SBHSC）是一种典型的由高倍率电容型电极和大容量电池型电极构成的储能器件，由于兼具电池和超级电容器的优点而受到广泛关注。
水系锌离子混合超级电容器（ZHSC）作为其中的一种，以其高性能、低成本、安全环保等优点成为目前研究的热点之一。
ZHSC的发展不仅取决于合适的电极材料，还取决于优越的储能系统结构。
因此，需要对这两方面进行更深入的研究，以进一步提高ZHSC的性能，满足人们在储能领域的需求。
本文两个工作的具体内容如下：（1）这个工作以三维多孔还原氧化石墨烯（rRO）气凝胶为骨架，制备了MXene-还原氧化石墨烯（MXene-rRO）气凝胶。
具有独特多孔骨架结构的MXene-rRO气凝胶不仅在很大程度上阻止了MXene纳米片的堆积，而且赋予了该气凝胶高亲水性和良好的导电性。
首次采用多孔三维MXene-rRO气凝胶正极、锌箔负极和2摩尔ZnSO4电解质制备了MXene-rRO//ZnSO4//Zn ZHSC。
结果表明，MXene-rRO2//ZnSO4//Zn ZHSC具有优异的电化学性能，最大比电容为129 F g-1(0.4 A g-1)，能量密度为35 Wh kg-1（280 W kg-1）。
更重要的是，在电流密度为5 A g-1时，经过75000次充放电循环后，电容保持率仍高于初始电容的95%。
这为利用其它三维多孔的正极材料开发高性能的ZHSC提供了新的思路。
（2）这个工作与前面的工作相比，对ZHSC的器件结构进行了创新。
以二维层状的二硫化钛插层/脱层电池型电极代替传统的锌箔电极作为负极，与活性炭电容型正极和2摩尔ZnSO4电解质组装到一起制备了TiS2//ZnSO4//AC ZHSC。
铵离子混合超级电容器电极材料研究进展
第23 卷第 1 期2024 年 3 月宁夏工程技术Vol.23 No.1 Ningxia Engineering Technology Mar. 2024铵离子混合超级电容器电极材料研究进展张新杨，张杰，王佐书，汪德伟*（北方民族大学材料科学与工程学院，宁夏银川750021 ）摘要：随着社会对能源需求的不断增长和传统能源的消耗，寻找可再生清洁能源已成为当务之急。
铵离子混合电容器作为一种清洁且可持续的解决方案在电能存储领域备受关注。
本文主要综述了铵离子混合电容器的研究进展，包括其优点以及当前存在的问题和挑战。
同时，重点关注了电极材料的研究现状，如锰基氧化物、钒基氧化物、钼基化合物等，并展望了未来的发展方向。
通过对铵离子混合电容器的研究现状进行全面分析，本文旨在为该领域的研究者提供有益的参考和启示。
关键词：清洁能源；超级电容器；铵离子储存；电极材料；电化学储能中图分类号：TQ127.1；TM912 文献标志码：A随着社会对能源的需求愈发增大，以煤炭、石油、天然气为首的传统能源面临着大量的消耗，这导致许多问题的出现，包括能源短缺、气候变化和环境污染等［1］。
鉴于这些问题，寻找可再生的清洁能源已经迫在眉睫。
然而，太阳能、风能等绿色能源具有间歇性、周期不稳定等特点，限制了其发展和应用［2］。
因此，开发可持续的高效储能技术是一种很好的解决方案，而超级电容器被认为是一种清洁且可持续的解决方案［3］。
在可充电电池领域，锂离子电池凭借高能量密度及优越的性能，一直主导着电池行业的发展［4］。
然而，在大规模储能系统中，锂离子电池仍面临许多问题，如正极材料成本高、安全性差、工作温度范围较窄、容量衰减等［5-7］。
此外，其使用的易燃有毒有机电解质也带来了很大的安全隐患［8］。
相比之下，钠离子电池和钾离子电池在低温性能和低成本方面具有优势［9］，但上述问题依然存在，而且钠离子和钾离子的大尺寸使得它们难以插入主体材料以实现与锂离子电池相同的性能［10］。
超级电容器用多孔碳材料的研究进展
碳凝胶材料性能
质轻、大比表面积、中孔发达、导电性良好、 电化学性能稳定的纳米级的中孔碳材料。
孔隙率达80％～90％，孔径3～20nm，比表 面积400～1100m2/g，密度范围0.03～ 0.8g/cm3，电导率10～25S/cm。
克服使用活性碳粉末和纤维作电极时存在的 内部接触电阻大，含有大量不能被电解液浸 入的微孔，比表面积得不到充分利用的问题， 是制备高比能量、高比功率电化学电容器的 理想电极材料。
成本低，周期短
大连理工大学的李文翠：酚类同分异构物混合物 （J）与甲醛（F）JF凝胶，成本低，周期短，但 密度高于RF凝胶，比表面积也较RF凝胶略低
碳凝胶性能
RF的EDLC实验室样品：功率密度为7.7kW/kg，能量 密度为5Wh/kg，比容量39F/g(以碳和电解液的重量之和 为准，水电解液)。
碳纳米管改性
利用剩余的SP3杂化轨道引入官能团，产生法拉第准电 容。E.Frackowiak证实表面官能团参与氧化还原反应故 会形成准电容，比电容从80F/g增至137F/g。
E．Frackowiak:掺金属锂的碳纳米管电极在LiClO4电解 液中在1．5～3V之间充放电时，表现出良好且独特的高 压下的双电层电容效应，容量可达30F/g(非水电解液)。
X.Liu在研究发现，经过电化学氧化处理后碳电极 容量从135F/g增加到171F/g，氧化处理后进行还 原处理，容量增加更明显，增加到215F/g。认为 主要是由于碳材料氧化后表面含氧官能团含量增 加而引起的。
从制备高容量、耐高压、稳定性好的电容器角度 出发，希望活性碳材料表面的官能团有一个合适 的比例。
量大，循环寿命长，价格高，污染。
➢导电聚合物材料：工作电压高但电阻大 。 ➢ 杂多酸：具有固体电解质的优点，使用方便。
混合型超级电容器在无人机电子系统中的应用研究进展
混合型超级电容器在无人机电子系统中的应用研究进展引言：无人机技术的快速发展，对其电子系统的能源存储和管理提出了更高的要求。
作为一种新型的高能量密度储能装置，混合型超级电容器（hybrid supercapacitors）被广泛研究和应用于无人机电子系统中。
本文将对混合型超级电容器在无人机电子系统中的应用研究进展进行综述，并探讨其未来的发展趋势。
一、混合型超级电容器及其特点混合型超级电容器是一种结合了电化学双层电容器（EDLC）和电化学储能器件（如锂离子电池）的储能装置，具备了高能量密度和高功率密度的特点。
相对于传统的锂离子电池，混合型超级电容器具有更快的充放电速度、更长的寿命和更宽的工作温度范围。
在无人机电子系统中，混合型超级电容器可用于平衡能量需求和储存能量之间的矛盾，提高无人机的续航能力和飞行性能。
二、混合型超级电容器在无人机电子系统中的应用1. 提高无人机的起飞和爬升性能混合型超级电容器具有高功率密度的特点，能够在短时间内快速释放能量。
在无人机的起飞和爬升阶段，需要高功率来提供足够的推力和提高无人机的升力。
将混合型超级电容器与锂离子电池相结合，可实现锂离子电池的高能量密度和混合型超级电容器的高功率密度的优势互补，提高无人机的起飞和爬升性能。
2. 改善无人机的制动和降落性能无人机的制动和降落过程需要吸收大量的动能，传统的电池往往无法满足这种高功率需求。
而混合型超级电容器可以通过快速的充放电过程，提供更高的功率输出。
将混合型超级电容器作为无人机动能回收系统的一部分，能够显著改善无人机的制动和降落性能，实现更短的制动距离和更安全的降落过程。
3. 提升无人机的电能回收效率无人机飞行过程中产生的动能可以通过能量回收系统进行回收和储存，以供后续使用。
混合型超级电容器具有较高的充放电效率和长寿命特性，能够提高能量回收系统的效率，并有效延长能量回收装置的使用寿命。
通过混合型超级电容器的应用，无人机的电能利用效率得到提升，从而提高了整个无人机系统的续航能力。
混合型电容器研究进展
混合型电容器研究进展姜海静1，邱平达1，赵雪1，蒲薇华2,蔡克迪*,1,2【摘要】混合型电容器是一种介于超级电容器和二次电池之间的新型储能装置，是现代电子、交通等行业理想的动力电源.根据电极组合的不同，将混合型电容器分为以下三种类型，它们分别是双电层电容器电极与法拉第电容器电极的组合、传统二次电池电极与双电层电容器电极的组合以及电解电容器的阴极与超级电容器电极的组合.混合型电容器与传统超级电容器相比，在能量密度和工作电压上均得到了较大的提高.着重介绍几种性能优异的混合型电容器及其未来的发展趋势.【期刊名称】渤海大学学报（自然科学版）【年(卷),期】2014(000)003【总页数】6【关键词】混合型电容器；电极材料1 超级电容器超级电容器，也称为超级电容，大容量电容器或电化学电容器，是一种介于传统电池和常规电容器之间的能量存储装置〔1〕.超级电容器兴起于20世纪，Becker第一次提出可以用小型电化学电容器做储能器件，并对这一理论创新申请了专利，随后俄亥俄州的SOHIO公司如Becker提出的理论一样，开发并研制出了高表面积材料的双电层电容器.1979年，NEC公司开始正式生产超级电容器，这也预示着电化学电容器进入了大规模商业应用时代〔2〕.超级电容器具有高比电容、大比功率、长循环寿命等特点，弥补了传统电容器和电池的不足.近年来，超级电容器大量应用在可以进行能量存储的电源设备上，如心脏起搏器，移动电源，混合动力车，安全气囊，数码相机，太阳能电池等〔3〕.但是超级电容器的能量密度与传统电池相比要低很多，因此，提高能量密度是现在科研工作者着重研究的方向.一般来说，超级电容器的储能机制主要分为两种，一种是在电极和电解质之间的界面上所形成的双电层电容来储存能量的双电层电容器，一种是在电极材料的三维及准三维空间上发生快速的吸附/脱附正负电荷或者发生高度可逆的氧化还原反应来储存能量的法拉第电容器.其中，双电层电容器应用高比面积的碳基材料，如：活性炭，碳纳米管，碳气凝胶，炭黑，石墨烯和碳纤维等，利用电容器电极和电解质之间的界面处的电荷产生的静电分离原理储存能量.因此，双电层电容器的性能是否优越主要取决于碳材料的比表面积大小.而法拉第电容器是利用法拉第电流累积正负电荷的储能原理，也被称赝电容器〔4〕.电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物，如MnO2、RuO2·H2O、TaO2、聚吡咯、聚噻吩等.在这些材料中，无定形的RuO2·H2O是高性能材料，具有高达768 F/g的比电容和良好的充放电效率.然而，这种材料过高的成本和对环境的影响限制了其商业化的发展.基于材料成本以及环境影响等因素，科研工作者进一步研制出了比超级电容器具有更高能量密度的电容器——混合型电容器.2 混合型电容器混合型电容器可分为三类：①双电层电容器碳电极与法拉第电容电极所组成的体系，即一个电极采用双电层电容器电极材料，一个电极采用法拉第电容器电极材料；②双电层电容器碳电极和传统二次电池电极所组成的体系，即一个电极采用活性炭电极，一个电极采用传统的二次电池电极；③由电解电容器的阴极和超级电容器电极所组成的体系〔5〕.2.1 双电层电容器与赝电容器组成的混合型电容器2.1.1 RuO2/AC混合型电容器这种体系的混合电容器是最具有代表意义的双电层电容器与法拉第电容器的混合型电容器，RuO2是目前最理想的法拉第电容器电极材料〔6〕，这种材料的电导率大，比容量可高达770 F/g，但是由于Ru是贵族金属，资源稀少，成本高，因此用这种材料制作电容器并不是十分理想.目前正极材料大多数为其氧化物RuO2或RuO2·xH2O，负极材料可用双电层的碳电极，活性炭，也有用碳气凝胶、石墨烯、石墨代替活性炭作为电极材料，电解质采取导电性好的液体电解质.这类混合电容器比容量高，能量密度大，内阻小；然而，它并非完美,除了刚才提到的正极材料极为稀有外，还存在由于电解质电解电压受限制而导致单元工作电压低的问题.虽然可以通过电容器串联使用来弥补工作电压，但是这样以来，又会造成总容量损失、内阻增大以及影响功率特性等一系列问题，最后，这类电容器材料的毒性对环境的影响也是需要考虑的重要因素.因此，这类混合型电容器的研究方向主要是：①寻找可替代的金属；②如何提高电容器的单元工作电压，保证其功率特性和能量密度；③减小内电阻，使充放电的速率加快.现在很多研究者采用一些常见的金属氧化物来替代RuO2如：CoO，NiO，MnO2等等，在这些材料中MnO2在自然界含量高，价格合理，制备方法也非常简单，是潜力非常大的电极材料.2.1.2 导电聚合物/AC混合型电容器导电聚合物电极材料也是法拉第电容器电极材料，导电聚合物电极材料价格低，能量密度高，功率特性好，并且可以在高温下持续工作，这是金属电极材料所不及的，利用导电聚合物电极材料制成的法拉第电容器成本低，密度相比于其他超级电容器小，但是这类电容器也存在着一些不足，如：循环寿命短，自放电性能差.以导电聚合物为混合型电容器的电极材料主要利用其聚合物中活性物质掺杂-去掺杂电荷的能力，储存高密度的电荷之后而产生法拉第电容.一般分为p型掺杂和n型掺杂〔7〕，对于p型掺杂的聚合物电极，当电容器处于充电状态时，电极材料发生p型掺杂，外电路从电极材料表面吸收电子，从而使导电聚合物的分子链上带正电荷，而电解质溶液中的阴离子所带的负电荷则位于导电聚合物骨架附近保持电荷的平衡，而放电时电极材料发生p型去掺杂，电子又重新聚集到导电聚合物上.n型掺杂的聚合物电极充放电过程与p型掺杂的聚合物电极充放电过程相反，充电时电极材料发生n型去掺杂过程时，导电聚合物分子链上所带的负电荷来源于外电路传递过来的电子，而电解质溶液中的阳离子带正电荷分布在导电聚合物骨架附近保持电荷的平衡，放电时则发生n 型掺杂.目前应用最广的导电聚合物电极材料是聚噻吩及其各种衍生物〔8〕，典型的聚甲基噻吩n/p型掺杂的混合型电容器，与双电层电容器相比其充放电容量和效率较低，但是由于这种混合型电容器具有较高的放电电压，所以它具有高电压放电的优势.聚苯胺具有很大的法拉第电容，是一种理想的电极材料，用聚苯胺作为正极，活性炭作为负极组装的混合型电容器比容量可高达380 F/g，循环寿命长，具有理想的比功率和比能量.提高导电聚合物掺杂性能可以提高导电性能、循环寿命，这也是许多研究工作者主要研究的方向.2.2 锂离子/活性炭体系混合型电容器锂离子混合型电容器是利用锂离子作为储能介质，同时利用双电层和法拉第电容器原理进行储能的一类混合型电容器，主要依靠Li+离子在正负极之间的快速脱出和嵌入来储存能量，这类混合型电容器同时具有锂电池和超级电容器的优点，是良好的动力电源.一般的锂离子混合型电容器正极材料有LixMn2O4、LixCoO2和新兴起的LiFePO4，负极材料可选用的最佳活性物质石墨烯，还可以选用石墨、活性炭等，关于锂离子化合物Li4Ti5O12，它可以作为混合型电容器的负极材料，使用这种化合物作负极组成的混合型电容器可以改善电容器的自放电行为〔9〕.这种类型的混合型电容器常用的电解液有LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiNO3、Li2SO4 等锂盐.充电时，负极活性材料同双电层电容器一样，利用双电层原理吸收阳离子，而正极锂离子活性材料中锂离子脱出；放电时，负极中锂离子脱出由正极材料接收，也就是嵌入.工作时，两极容量产生的机理不同，负极是双电层电容器的工作原理，正极是电池的工作原理.正极材料是锂离子电池的关键，选取正极材料要求：(1)在充放电范围内，正极材料与电解质溶液有电化学相容性；(2)高度的可逆性；(3)在空中有较好的稳定性，目前主要研究集中在Li4Ti5O12 、LixMn2O4、LixCoO2和LiFePO4等锂离子化合物. 2.2.1 负极材料Li4Ti5O12Li4Ti5O12，是一种由锂元素和低电位过渡金属元素钛所形成的复合氧化物, 不导电, 在空气中能长期稳定存在.Li4Ti5O12与其他锂离子电极材料不同的是它可以作为电容器的负极材料，一般为尖晶石型结构，它具有较高的比容量，循环性能稳定，不与电解质溶液发生反应，应用这种负极材料可以改善电容器的自放电行为，同时由于钛酸锂放电平稳，能够避免材料循环导致的结构破坏，可以提高电极材料的循环性能和使用寿命，减少衰减，所以使用Li4Ti5O12电极材料比使用碳电极材料循环性能好〔10-13〕.基于以上种种优势，这种材料所组成的电容器被广泛的认为是最有潜力的混合型电容器，而其本身也是锂离子电池应用比较多的电极材料.但Li4Ti5O12也有一些缺点，比如：在使用过程中发现它的电子传导率低，致使其整体性能下降，目前的许多科研工作者正在致力于解决这些问题，通过研究发现可以使用掺杂法提高Li4Ti5O12的电子传导率.Li4Ti5O12/AC混合型电容器的正极通常选用双电层电容器碳电极，工作时负极主要是锂离子的嵌入和脱出反应；正极为活性炭电极材料表面的阴离子发生的聚散过程〔14〕.Li4Ti5O12具有零应变的特性，这种材料在充放电过程中其晶体结构几乎无变化，循环寿命长，充放电效率接近99%，所以Li4Ti5O12/AC体系的混合超级电容器循环性能好，电流充放电性能突出，是一种应用非常广阔的新型电容器体系，但由于使用有机电解液，以及充电时所造成的电解液离子浓度的降低这两方面原因，导致Li4Ti5O12/AC混合型电容器在较大电流下工作时整体性能受到影响.2.2.2 正极材料LixMn2O4，LixCoO2锰资源丰富，价格合理，对环境污染小，容易回收，而且作为电极材料它充放电能力强，是备受关注的锂离子电池的电极材料.但是，LixMn2O4在高温条件下，循环过程中有较大的容量损失，作为电极材料使用会导致电容器本身循环寿命短，这是LixMn2O4材料存在的主要问题，目前多数研究者选择研究合成新型结构或者掺杂金属离子来解决循环性能问题〔15〕，例如：Co、Ni、Al、Cr等，研究发现除了Co和Ni以外，其他金属元素虽然能增强电容器的循环性能但是会使比容量降低，解决方法目前还在研究中.LiMn2O4资源丰富，是一种环境友好材料，并且合成较为简便，可以在较宽的温度范围下使用，电池电压高，比能量高，而且循环特性好，被制作成便携式电子产品的电源，是目前被公认为最具有工业化前景的锂离子二次电池正极材料.应用LiMn2O4做正极，活性炭做负极组成混合型电容器〔16〕，充电时，正极材料LiMn2O4中的Li+离子脱出进入到电解质溶液中，而电解质溶液中Li+离子透过隔膜到达AC 负极，在AC电极表面发生表面吸附；放电则是相反的过程，Li+离子从AC电极表面脱出进入到电解质溶液中，通过电解质溶液重新嵌入具有尖晶石结构的LiMn2O4中〔17〕，LiMn2O4电极材料与AC电极材料所组成的混合型电容器也可以看成是一种特殊的锂离子电池.相比其他正极材料，钴酸锂的可逆性、充电效率、放电容量和电压稳定性等综合性能好，是目前商业化最成功的锂离子混合型电容器的正极材料.研究发现，LixCoO2的比容量可高达280 mAh/g，但是锂离子在脱出和嵌入的量高于50%时，其电化学性能会发生退化，这是因为电解质的自身氧化和本身结构的不稳定导致极化程度增加，减小了材料本身的有效容量〔18〕.目前改善其电化学性能的方法与改善LixMn2O4的方法相似，合成新型材料或掺杂不同的离子，研究发现掺杂Mn和Al的效果较好.由于Co元素资源有限，价格比较贵，并且对环境的污染目前无法解决，所以其在混合型电容器中的应用不具有优势.最早实现商业化的锂离子二次电池的正极材料是LiCoO2，LiCoO2/AC体系的混合型电容器体系具有较好的功率特性，但其循环性能较差.2.2.3 新型正极材料LiFePO4LiFePO4，磷酸亚铁锂作为正极材料被应用，受到了很大的关注，具有170 mAh/g的理论比容量和3.5～4.0 V的充放电电压平台.与其他锂离子正极材料相比，其工作电压平稳，容量较高，制备来源广泛，价格合理，对环境污染少，无毒，作为电极时热稳定性好，循环性能好，而且安全性能突出，是理想的锂离子正极材料.但是LiFePO4在室温下导电率偏低，扩散速率慢导致大电流放电时容量衰减快，能量密度小，目前也是利用掺杂金属离子对其性能改性来克服自身缺点.金振兴等人采用橄榄石型结构LiFePO4电极材料为电容器正极，活性炭电极为电容器负极，六氟磷酸锂(LiPF6)为电解质溶液制备了新型锂离子混合型电容器〔19〕.通过化学改性，优化正负极活性物质质量之比，组装成新型高容量高功率的混合型电容器，经过测试得出LiFePO4/AC混合型电容器中正负极活性物质之比为4:5时能够得到最大的比容量，同时电容器也具有良好的电化学综合性能.LiFePO4电极材料具有储能密度高和环境友好等特点，是一种新型的混合型电容器的正极材料，具有良好的工业化发展前景.2.3 电解电容器/活性炭混合型电容器这种体系采用电解电容器的阳极，双电层电容器的阴极组成混合型电容器，利用电解电容器可以承受较高的工作电压且具有较好功率特性的特点，同时结合双电层电容器充放电速率快、使用寿命长的优点，使整个混合型电容器具有高能量密度，还可以保留电解电容器和双电层电容器各自的优势，达到扬长避短的效果.李文生等人采用阳极为电解电容器的电极材料Al/Al2O3，阴极为活性炭电极组装成混合型电容器在50 mA 电下, 充放电电压范围为0～10 V对组装的混合电容器进行恒流充放电实验，结果发现工作电压可以达到35 V〔20〕，与传统的电容器相比，该体系的混合型电容器的能量密度明显提高，并且具有很好的功率特性和循环寿命.张莉等人采用优化的电解电容器的阳极材料Ta/TaO2，阴极同样采用活性炭电极组成混合型电容器〔21〕，这种混合型电容器的正极材料相比Al/Al2O3，漏电流小，容量稳定性更强，这种混合超级电容器的单元电压可高达100 V，随着工作电压的提高能量密度得以提高.针对上述混合电容器的工作原理，开发研制了一种集电解电容器、双电层电容器与锂离子电极于一体的混合型电容器.这种体系的电容器，电解电容器的电极材料Ta/TaO2和锂离子电极材料Li3V2O5为正极，双电层电容器活性炭电极为负极，在工作时，电极电容器电极Ta/TaO2与活性炭电极组成一种电容器，活性炭电极材料与锂离子电极材料Li3V2O5组成一种电容器，并申请了专利.这种混合型电容器将电解电容器电极、锂离子电池电极、双电层电容器电极完美结合成一个整体，可以在保证功率密度和充放电速率的同时大幅度提高电容器的能量密度，满足不同电容器的用电需求.3 总结与展望混合型电容器是一种介于超级电容器和二次电池之间的储能装置，其功率密度媲美于二次电池，能量密度高于超级电容器，是现代化电子行业、交通行业等理想的动力电源，如何使其功率密度和能量密度达到现代化发展的需要，研究的重点就是电极材料的电化学性能，因此开发具有高比电容、高工作电压、大比功率以及长循环寿命的复合电极材料以提高混合型电容器的整体性能是今后研究的主要方向.随着社会的发展，将不断会有各种各样的新材料涌现出来，它们的制备方法、工艺处理以及性能的研究会不断被深入，进而，混合型电容器将不断朝着能量高、成本低、使用寿命长以及环境友好的方向发展，它将成为今后一段时间内具有市场前景好、发展快等优势的新型能源.参考文献：〔1〕刘小军,卢永周.超级电容器综述〔J〕.西安文理学院学报：自然科学版,2011,14(2): 69-73.〔2〕Conway B E. 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第 23 卷
researches focus on the various hybrid capacitor systems consisting of negative activated carbon electrode and positive aqueous Lithium-ion battery materials electrode ，such as LiMn 2 O 4 ，LiCoO 2 ，LiTi 2 （ PO 4 ） 3 and LiCo 1 / 3 Ni 1 / 3 Mn 1 / 3 O 2 . These hybrid supercapacitors are improved in energy density and also with the working voltage increased ， comparing with the traditional activated carbon / activated carbon electrochemical double-layer capacitor. In the paper ，the research situation and development tend of several kinds of hybrid systems and the currently studied relative materials are also introduced. Key words activated carbon ； capacitor ； hybrid supercapacitor ； energy density ； power density 储能 ） 、 功 率 补 偿 等 领 域， 其市场规模正在快速 扩大 。
cycling life and high power density ， but with low energy density. In order to improve the energy density of supercapacitor ，the most promising approaches are either to use an electrode material with large specific capacitance or increase its working voltage by utilizing a hybrid supercapacitor system which consist an activated carbon electrode and a battery elelctrode material （ pseudo-capacitor material ） . The present paper introduces the development of the hybrid supercapacitor and the recent research on the electrode materials for hybrid supercapacitor. Many studies have been undertaken for the various hybrid supercapacitor systems to obtain higher energy density ，coupling redox-active material electrodes with activated carbon electrode ，such as activated carbon / NiOOH （ FeOOH ） ，activated carbon / graphite ，activated carbon / metal oxides and activated carbon / polymer hybrid supercapacitors. Recently ，Li-ion intercalated compounds Li 4 Ti 5 O 12 and lithium-ion battery carbon materials are attracting much attention as positive electrode with a negative activated carbon electrode. At the same time ，many
收稿： 2010 年 9 月，收修改稿： 2010 年 10 月 * 国 家 自 然 科 学 基 金 委 杰 出 青 年 基 金 和 重 点 项 目 （ No. 20925312 ， 20633040 ） ， 国 家 科 技 部 973 计 划 项 目 （ No. 2007CB209703 ） ， 上海市科委优秀学科带头人计划（ No. 09XD1400300 ） 资助 Corresponding author e-mail ： yyxia@ fudan. edu. cn
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引言
超级电容器的发展始 于 20 世 纪 60 年 代， 在 20
双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质 之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子 元件 。 是以双电 层 -双 电 层 （ electric double layer ） 为 主要机制， 即在充电时， 正极和负极的炭材料表面分 电荷保持在炭电极材料与 别吸附相反电荷的 离 子， 液体电解质的界面双电层中 。 这种电容器的储能是 并没 通过使电解质溶液 进 行 电 化 学 极 化 来 实 现 的， 这 种 储 能 过 程 是 可 逆 的。双 电 有产生电化学反 应， 层电容器 主 要 是 由 具 有 高 比 表 面 积 的 电 极 材 料 组 成， 目前主要研究开 发 了 采 用 碳 电 极 的 电 化 学 双 电 层电容器 。 该碳电极主要是由高比表面积的活性炭 以硫酸或 到 导 电 型 的 固 体 电 解 质 作 为 电 颗粒制得， 解液， 在其使用电位范围内， 充电时可得到很大的界 面双电层电容 。 2. 1. 2 法拉第准电容器
表1 电容器与电池的性能比较 Properties of capacitor and battery
energy density （ Wh / kg ） capacitor supercapacitor battery < 0. 2 0. 2 —20 20 —200 power density （ W / kg ） 10 4 —10 6 10 —10 < 500
第 23 卷 第 2 /3 期 2011 年 3 月
化
学
进
展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol. 23 No. 2 /3 Mar. ，2011
混合型超级电容器的研究进展
刘晶 夏永姚
*
（ 复旦大学化学系 上海市分子催化与先进材料重点实验室 新能源研究院 摘 要
上海 200433 ）
Research Progress of Hybrid Supercapacitor
Liu Haijing Xia Yongyao
（ Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials ，Institute of New Energy ， Department of Chemistry ，Fudan University ，Shanghai 200433 ，China ） Abstract Compared with conventional secondary batteries ，electrochemical supercapacitors exhibit the long
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Contents
1 2 2. 1 2. 2 3 3. 1 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 3. 6 3. 7 4 Introduction Synopsis of electrochemical supercapacitor Principle and classification of supercapacitor Characteristics of supercapacitor Researches and progress of hybrid supercapacitor Activated carbon / NiOOH （ FeOOH ） hybrid supercapacitor Li 4 Ti 5 O 12 / activated carbon hybrid supercapacitor Activated carbon / graphite hybrid supercapacitor Lithium-ion battery carbon materials / activated carbon hybrid supercapacitor Aqueous lithium-ion battery materials / activated carbon hybrid supercapacitor Activated carbon / metal oxides hybrid supercapacitor Activated carbon / polymer hybrid supercapacitor Conclusions and outlook
与传统的二次电池相比 ， 超级电容器具有长寿命 、 高功率 密 度 的 特 点 ， 但 是 能 量 密 度 较 低。本
文主要介绍了混合超级电容器的发展状况以及电极材料的最新研究进展 。 目前有许多研究工作者都致力于 改善超级电容器体系的能量密度 ， 一个有效的途径是提高电容器电极材料的比电容 ， 另一个途径则应用不对 称混合型超级电容器体系 ， 即一个电极采用电极活性炭电极 ， 而另一个电极采用赝电容电极材料或电池电极 材料 ， 通过提高电容器的工作电压 ， 从而提高电容器的能量密度 。 针对提高混合型超级电容器能量密度的工 作主要集中 在 采 用 具 有 氧 化 还 原 活 性 的 材 料 与 活 性 炭 组 成 不 对 称 超 级 电 容 器 ， 比 如 ： 活 性 炭 / NiOOH （ FeOOH ） ，活性炭 / 石墨 ，活性炭 / 金属氧化物以及活性炭 / 聚合物等混合超级电容器 。 近年来 ， 锂离子嵌入 化合物以及锂离子电池碳材料作为混合超级电容器的正极材料得到了广泛的 关 注 。 同 时 ， 介绍了针对由水 系锂离子电池电极材料作为正极 ， 活性炭作为负极组成的混合型超级电容器开展的研究工作 ， 其正极材料包 括 LiMn 2 O 4 ，LiCoO 2 ，LiTi 2 （ PO 4 ） 3 以及 LiCo 1 / 3 Ni 1 / 3 Mn 1 / 3 O 2 等 。 以上混合型超级电容器相比于活性炭 / 活性 炭双电层电容器 ， 均在能量密度的提高以及工作电压的提高上得到了较大的进 展 。 最 后 本 文 还 对 近 几 年 比 较热门的几种混合型电化学电容器和相关材料的未来发展趋势作了简单介绍 。 关键词 活性炭 电容器 混合型超级电容器 文献标识码 ： A 能量密度 功率密度 中图分类号 ： O646. 2 ； TM242 281X （ 2011 ） 02 /3059510 文章编号 ： 1005-