超级电容器的研究

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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。
纳米尺寸导电聚合 物
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2. 按电解质类型分类
1) 水性电解质
酸性电解质：36％的H2SO4水溶液 碱性电解质：KOH、NaOH等强碱 中性电解质：KCl、NaCl等盐
2) 有机电解质
LiClO4为典型代表的锂盐 TEABF4作为典型代表的季胺盐
缺点：
如果使用不当会造成电解质泄漏等现象； 和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于 交流电路。
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二、超级电容器的分类
1. 按原理分：双电层型超级电容和赝电容 型超级电容器。
1) 双电层型超级电容器
包括：活性炭（粉、纤维）电极材料、碳气凝胶电极 材料、碳纳米管电极材料、石墨烯电极材料超级电 容器。
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双电层原理示意图
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2. 性能特点
—介于电池和物理电容器之间
性能 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
铅酸电池 1-5小时 0.3-3小时 30- 40
300 < 300 0.7-0.85
超级电容器 0.3-若干秒 0.3-若干秒
1- 20 >10000 >1000 0.85-0.98
纳米管
特点：高导电率，比功率高，比表面积小，成本高。
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4、石墨烯电极材料
特点：导电率较高，化学性能稳定，机械强度 较高，阻抗较小。
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四、超级电容器性能与碳材料 结构的关系
1、比表面积
理论上讲，比表面积越大，其容量也越大，但比 表面积大，通常只会提高质量比容量，而更重要 的体积比容量会降低，而且材料导电性也差。
超级电容器的研究
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目录
一、概述 二、分类 三、有关碳材料的研究 四、性能与碳材料结构的关系 五、应用领域和发展趋势
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一、超级电容器的概述
超级电容器(Supercapacitors)，又名电化学电容器 (Electrochemical Capacitors)，双电层电容器 (Electrical Doule-Layer Capacitor)，是上世纪七、 八十年代发展起来的一种新型的储能装置是一种具 备高能量密度的电化学电容器。
超级电容结构如图
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各种超级电容器
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1. 超级电容器的储能机理
1）双电层电容—基于电解液中离子和电极 表面之间的静电吸引而产生的双电层电容， 例如采用碳基材料作为电极材料。 2）法拉第赝电容—基于电极表面的活性物 质发生的快速可逆氧化还原反应或者法拉第 电荷转移反应而产生的法拉第赝电容,例如 采用金属氧化物或者导电聚合物作为电极材 料。
• 智能表作电磁阀的启动电源 。
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• 太阳能警示灯，航标 灯等太阳能产品中代 替充电电池。
• 手摇发电手电筒等小 型充电产品中代替充 电电池。
• 电动玩具电动机、语 音IC、LED发光器等 小功率电器的驱动电 源。
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2、发展历史：
• 早在1879年，Helmholz 发现了双层电容性质，提 出了双电层的概念。
2、孔径分布
孔径越大，电化学吸附速度越快，即使在比表面 积和总电容量相对低的情况下也可在大电流下传 递更多的能量。
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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。
• 1957年Bcker首先提出了可以将较小的电容器用做 储能器件,其具有接近于电池的比能量。
• 1968年标准石油公司Sohio首先提出了利用高比表 面积碳材料制作双层电容器的专利，并将该专利 技术转让给NEC公司，NEC公司在1979年开始生 产超级电容器用于电动汽车的启动系统。
• 几乎同时，松下公司研究了以活性炭为电极材料 ，以有机溶液为电解质的超级电容器，此后超级 电容器开始大规模的产业化。
3) 液体电解质超级电容器 4) 固体电解质超级电容器
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三、碳材料超级电容器的性能特点
1、活性炭（AC）电极材料
性能特点：表面积较高，孔径可调，可批量生产， 价格低廉。
碳纤维
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2、碳气凝胶电极材料
优点：比表面积高，密度变化范围广，结构可调。
制备方法如上图所示
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3、碳纳米管(CNT)电极材料：单壁纳米管和多壁
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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。
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(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。
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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。
普通电容器 10-3—10-6秒 10-3—10-6秒
<0.1 >100000 <100000 >0.95
表1 铅酸电池、超级电容器和普通电容器的性能对比
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3. 超级电容器优缺点
优点：
高功率密度：输出功率密度高达数KW/kg,一般蓄电池 的数十倍； 极长的充放电循环寿命：循环寿命可达万次以上； 非常短的充放电时间：0.1-30s即可完成； 温度特性好：工作温度范围宽； 节约能源； 绿色环保。
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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
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五、应用领域和发展趋势
1、应用领域：
• 税控机、税控加油机、真空开关、智能表 、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、 掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳 电话等的时钟芯片、静态随机存贮器、数 据传输系统等微小电流供电的后备电源。