超级电容器电极材料综述ppt课件
根据工作原理超级电容器课件
contents
目录
• 超级电容器的概述 • 超级电容器的工作原理 • 超级电容器的组成与结构 • 超级电容器的性能参数 • 超级电容器的制造工艺 • 超级电容器的优缺点与前景展望
01
超级电容器的概述
定义与特点
定义
超级电容器是一种能够储存大量 电能的电子器件，通过极化电解 质来储存电荷。
加强与其他技术的结合
结合超级电容器和电池、燃料电池等其他能源存储技术，实现优势互 补，提高能源利用效率。
加强标准化和模块化设计
推动超级电容器的标准化和模块化设计，提高产品的互换性和可靠性。
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THANKS
玻璃纤维膜
玻璃纤维膜具有较好的孔径分布和较高的热稳定性，在某些 特殊需求的超级电容器中也有应用。
超级电容器的电解液
有机电解质溶液
有机电解质溶液具有较高的离子导电 率和稳定性，是超级电容器中常用的 电解液类型。
固体聚合物电解质
固体聚合物电解质具有较好的化学稳 定性和机械性能，尤其在高温和低温 环境下表现出较好的性能。
通过熔融挤出、溶液浇铸或拉伸等方法制备薄膜，并经过热处理和 拉伸以提高其机械性能和电气性能。
薄膜处理
对薄膜进行表面处理，以提高其润湿性和电导率，并降低阻抗。
电解液的制备工艺
电解质的选用
选择具有高离子电导率、 低阻抗和稳定的电化学性 能的电解质，如有机电解 液和离子液体等。
电解质的配制
将电解质溶解在适当的溶 剂中，形成电解液，并调 整其浓度和成分以满足实 际需求。
04
超级电容器的性能参数
电化学性能参数
充放电时间
超级电容器的充放电时间较短， 可以在短时间内完成电荷的储 存和释放，提高能源利用效率。
《超级电容器》课件
发展历程和前景
1
1 990年
2
实现了高性能的电化学电容器，并开
始在特定领域得到应用。
3
1 978年
超级电容器首次被发现，但技术限制 和高成本限制了商业应用。
2 000年
随着技术进步和成本下降，超级电容 器在多个领域得到广泛应用。
主要厂商
1 Maxwell Technologies
全球领先的超级电容器制造商，提供各种容量和尺寸的产品。
总结和展望
超级电容器是一种具有巨大潜力的电能存储技术，虽然还存在一些挑战和限制，但随着技术的不断进步 和应用需求的增长，它将继续发展并在更多领域得到应用。
超级电容器
超级电容器是一种高容量和高功率的电能存储设备，具有快速充放电速度和 长寿命的特点。
定义和原理
超级电容器是一种能够存储和释放巨大电荷量的装置，通过电荷在电容器的 正负极板之间的吸附和脱附实现能量的存储和释放。 超级电容器的工作原理基于电双层电容和电化学电容两种机制。
应用领域
可再生能源
超级电容器可以存储和释放电能，用于平衡可再生能源的波动性，提高能源利用效率。
2 Nesscap Energy
韩国超级电容器制造商，专注于高功率和高温应用领域。
3 Skeleton Technologies
欧洲超级电容器制造商，开发具有高能量和高功率密度的创新产品。
未来研究方向
超级电容器的研究正在关注提高能量密度、降低成本、延长寿命和提高温度 稳定性等方面的技术改进。
新材料和新结构的研发有望推动超级电容器的性能提升，进一步拓展其应用 领域。
交通运输
超级电容器可以作为电动汽车和混合动力车辆的辅助能源储存装置，提供高功率的提供短时电源支持，防止电子设备数据丢失。
石墨烯基超级电容器电极材料PPT课件
96%
➢ 高电导率(2.35×103 S m-1) ➢ 大比表面积(1500 m2 g-1)和相互交叉的电极结构有助于缩短电解
液中离子的扩散迁移路径
EI-Kady, MF et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1475 第11页/共28页
石墨烯在双电层电容器中的应用
自组装法制备平面超级电容器
J. Xu et al. ACS Nano, 2010, 4, 5019
第20页/共28页
石墨烯在不对称电容器中的应用
石墨烯在不对称超级电容器中的应用
正极 • 石墨烯-金属
氧化物 • 石墨烯-导电
聚合物
负极 • 石墨烯 • 石墨烯-CNT • 石墨烯-AC • ……
• …… Graphene/CNT/PANI
10. H. Wang et al. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 , 7472 11. Z. S. Wu et al. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3595 12. J. Xu et al. ACS Nano, 2010, 4, 5019 13. K.S. Novoselov et al. Science, 2004, 306, 666
PANI在GO表面 异相成核
第19页/共28页
PANI在体相内 均相成核
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
氧化石墨烯-聚苯胺纳米线阵列
555 F g-1
PANI-GO PANI 92%
➢ 石墨烯表面的有序且较小直径的PANI纳米线可改善离子传 输，提高PANI的利用率
➢ 石墨烯承担部分PANI氧化还原时的机械变形 ➢ 竖直的PANI纳米线阵列可以灵活的应对应力变化
电化学电容器电容器电极材料研究现状-PPT精品文档
一. 简介 二. 三种不同的电容器（电极材料是决定电
化
学电容器的核心因素） 三. 面临的问题 四. 发展前景 五. 产品
简介
电化学电容器（Electrochemical Capacitor, EC），又
称作超大容量电容器（Ultracapacitor）和超级电容器 （Supercapacitor）。它是一种介于电容器和电池之间 的新型储能器件。与传统的电容器相比，电化学电容 器具有更高的比容量。与电池相比，具有更高的比功 率，可瞬间释放大电流，充电时间短，充电效率高， 循环使用寿命长，无记忆效应和基本免维护等优点。 因此它在移动通讯，消费电子，电动交通工具，航空 航天等领域具有很大的潜在应用价值。
有序介孔材料 开放分类： 材料、科技 有序介孔材料是上世纪90年代迅速兴起的新型纳米结构材料，它一诞生就得到国际物理学、化学 与材料学界的高度重视，并迅速发展成为跨学科的研究热点之一。有序介孔材料虽然目前尚未获得大规模的工业化应用，但它所具有的 孔道大小均匀、排列有序、孔径可在2－50nm范围内连续调节等特性，使其在分离提纯、生物材料、催化、新型组装材料等方面有着巨 大的应用潜力。 化工领域 有序介孔材料具有较大的比表面积，相对大的孔径以及规整的孔道结构，可以处理较大的分子或基团，是很好 的择形催化剂。特别是在催化有大体积分子参加的反应中，有序介孔材料显示出优于沸石分子筛的催化活性。因此，有序介孔材料的使 用为重油、渣油等催化裂化开辟了新天地。有序介孔材料直接作为酸碱催化剂使用时，能够改善固体酸催化剂上的结炭，提高产物的扩 散速度，转化率可达90％，产物的选择性达100％。除了直接酸催化作用外，还可在有序介孔材料骨架中掺杂具有氧化还原能力的过渡元 素、稀土元素或者负载氧化还原催化剂制造接枝材料。这种接枝材料具有更高的催化活性和择形性，这也是目前开发介孔分子筛催化剂 最活跃的领域。 有序介孔材料由于孔径尺寸大，还可应用于高分子合成领域，特别是聚合反应的纳米反应器。由于孔内聚合在一定程度 上减少了双基终止的机会，延长了自由基的寿命，而且有序介孔材料孔道内聚合得到的聚合物的分子量分布也比相应条件下一般的自由 基聚合窄，通过改变单体和引发剂的量可以控制聚合物的分子量。并且可以在聚合反应器的骨架中键入或者引入活性中心，加快反应进 程，提高产率。 生物医药领域 一般生物大分子如蛋白质、酶、核酸等，当它们的分子质量大约在1～100万之间时尺寸小于10nm，相对分 子质量在1000万左右的病毒其尺寸在30nm左右。有序介孔材料的孔径可在2－50nm范围内连续调节和无生理毒性的特点使其非常适用于 酶、蛋白质等的固定和分离。实验发现，葡萄糖、麦芽糖等合成的有序介孔材料既可成功的将酶固化，又可抑制酶的泄漏，并且这种酶 固定化的方法可以很好地保留酶的活性。 生物芯片的出现是近年来高新技术领域中极具时代特征的重大进展，是物理学、微电子学与分 子生物学综合交叉形成的高新技术。有序介孔材料的出现使这一技术实现了突破性进展，在不同的有序介孔材料基片上能形成连续的结 合牢固的膜材料，这些膜可直接进行细胞/DNA的分离，以用于构建微芯片实验室。 药物的直接包埋和控释也是有序介孔材料很好的应 用领域。有序介孔材料具有很大的比表面积和比孔容，可以在材料的孔道里载上卟啉、吡啶，或者固定包埋蛋白等生物药物，通过对官 能团修饰控释药物，提高药效的持久性。利用生物导向作用，可以有效、准确地击中靶子如癌细胞和病变部位，充分发挥药物的疗效。 环境和能源领域 有序介孔材料作为光催化剂用于环境污染物的处理是近年研究的热点之一。例如介孔TiO2比纳米TiO2（P25）具有更高 的光催化活性，因为介孔结构的高比表面积提高了与有机分子接触，增加了表面吸附的水和羟基，水和羟基可与催化剂表面光激发的空 穴反应产生羟基自由基，而羟基自由基是降解有机物的强氧化剂，可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。此外，在有序 介孔材料中进行选择性的掺杂可改善其光活性，增加可见光催化降解有机废弃物的效率。 目前生活用水广泛应用的氯消毒工艺虽然杀死 了各种病菌，但又产生了三氯甲烷、四氯化碳、氯乙酸等一系列有毒有机物，其严重的“三致”效应（致癌、致畸形、致突变）已引起 了国际科学界和医学界的普遍关注。通过在有序介孔材料的孔道内壁上接校γ－氯丙基三乙氧基硅烷，得到功能化的介孔分子筛CPS－ HMS，该功能性介孔分子筛去除水中微量的三氯甲烷等效果显著，去除率高达97％。经其处理过的水体中三氯甲烷等浓度低于国标，甚 至低于饮用水标准。 有序介孔材料在分离和吸附领
超级电容器电极材料的研究参考完成-PPT课件
参考资料
1. 张宝宏、张娜，纳米MnO2超级电容器的研究，物理化学学报， 2019.19期 2. 程杰、李晓忠、曹高萍、沈涛、杨欲生，活性炭-烧结复合镍钴超级电 容器，电池，2019.13期 3. 陈新丽、李伟善，超级电容器电极材料的研究现状与发展，广东化工 ，2019.7期 4. 摆玉龙，超级电容器电极材料的研究进展，新疆化工，2019.3期 5. 张治安、杨邦朝、邓梅根、胡永达，超级电容器氧化锰电极材料的研 究进展，无机材料学报，2019.3期 6. 王兴磊、欧阳艳等，四氧化三钴超级电容器电极材料的制备与研究， 无机盐工业，2009.9 7. 庞旭、马正青、左列，Sn掺杂二氧化锰超级电容器电极材料，物理化 学学报，2009.25期 8. 张伟、刘开宇等，MnO2超级电容器充放电过程研究，化学通报， 2019.3期
超级电容器电极材料的研究
汇报内容
1 研究背景及意义 超级电容器的原理
2 3
超级电容器的应用
4 超级电容器电极材料及研究现状
5 6 电极材料的改进 总结
1.研究背景与意义
随着社会的发展，人们对能源的需求在不断增长，但是传 统的能源不可再生，环境的污染，持续升级的石油能源危 机使人们迫切需要一种清洁的、可再生的能源。近年来超 级电容器的相关研究和进展则顺应了人们对新介于普通电容器和二次电池之间新型无 维护储能元件，比功率是电池的10倍以上，储存电荷能力 普通电容器高，具有工作温度范围广、可快速充放电且循 环寿命长、无污染排放等优点，因此它的用途非常广泛。 • 超级电容器电极材料有碳材料、金属氧化物材料如氧化锰 电极，还有金属复合材料。不同的电极材料和不同的制备 方法得到不同性能的电极材料，因此可以通过在电极材料 里面掺杂其他元素同时改进电极材料的导电性来提高电极 材料的比电容和储能能力。
超级电容器的研究PPT课件
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。
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。
3) 液体电解质超级电容器 4) 固体电解质超级电容器
超级电容器的研究
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
超级电容器的研究
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
超级电容器的研究
超级电容器的研究
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。
超级电容器的研究
(2) 导电聚合物材料
聚苯胺(PANI)、聚 吡(PPy)和聚噻吩
超级电容器的研究
超级电容器的研究
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。
超级电容器的研究
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。
3、碳纳米管(CNT)电极材料：单壁纳米管和多 壁 纳米管
超级电容原理及应用简介课件
随着超级电容的应用领域不断扩大 ，需要制定相应的法规和标准以确 保其安全可靠地应用。
未来发展前景
技术创新
随着科研技术的不断进步，未来超级 电容有望在能量密度、循环寿命等方 面取得突破性进展。
应用领域拓展
产业链完善
未来超级电容的产业链将进一步完善 ，包括材料、制造、应用等方面，这 将有助于推动其大规模应用和商业化 进程。
超级电容的发展历程
01 20世纪60年代
超级电容的初步研究和发展。
02 20世纪90年代
随着电子技术和新能源产业的发展，超级电容的 应用逐渐广泛。
03 21世纪初
超级电容在电动汽车、混合动力汽车、能源存储 系统等领域得到广泛应用。
02
超级电容的工作原理
电化学双电层理论
总结词
电化学双电层理论是超级电容工作原理的基础，它解释了超级电容如何通过电极表面的双电层 来储存电荷。
5. 重复实验步骤，多次测 量以获得更准确的数据。
4. 当超级电容充满电后， 使用数字万用表测量电容 器的放电电压和电流。
结果分析与讨论
• 通过实验数据，分析超级电容的充电和放电特性，包括充电时间、电压变化、电流变化等。 讨论超级电容的储能原理以及在储能技术领域的应用前景。
• · 通过实验数据，分析超级电容的充电和放电特性，包括充电时间、电压变化、电流变化等。 讨论超级电容的储能原理以及在储能技术领域的应用前景。
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详细描述
法拉第准电容器理论认为，超级电容的电极表面存在可逆的氧化还原反应，这些反应与双电层的形成和电荷的储 存释放有关。在充电过程中，电解液中的离子在电极表面发生氧化或还原反应，将电荷储存于双电层中；在放电 过程中，这些反应发生逆向反应，电荷被释放出来。
超级电容器电极材料
超级电容器电极材料超级电容器作为一种新型的储能设备，具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电等优点，因此在电子设备、新能源汽车和可再生能源等领域具有广泛的应用前景。
而超级电容器的性能很大程度上取决于其电极材料，因此研究和开发高性能的电极材料对于提高超级电容器的性能至关重要。
目前，常见的超级电容器电极材料主要包括活性碳、氧化铁、氧化钴、氧化镍等。
活性碳是一种常见的电极材料，具有比表面积大、孔隙结构丰富的特点，能够提供更多的储存空间，但其导电性较差，限制了其在高功率应用中的表现。
氧化铁、氧化钴和氧化镍等金属氧化物具有较高的导电性和储能密度，但循环寿命较短，容量衰减严重，限制了其在实际应用中的发展。
为了克服现有电极材料的局限性，近年来，石墨烯、碳纳米管、金属有机骨架材料等新型材料被广泛应用于超级电容器的电极材料中。
石墨烯具有优异的导电性和比表面积，能够提高超级电容器的电极反应速率和循环寿命；碳纳米管具有高导电性和优异的力学性能，能够增强电极材料的稳定性和耐久性；金属有机骨架材料具有多孔结构和可调控的化学成分，能够提供更多的储能空间和增强电极材料的稳定性。
除了单一材料外，复合材料也成为超级电容器电极材料的研究热点。
将不同种类的材料进行复合，可以充分发挥各自材料的优点，同时弥补其缺陷，从而提高电极材料的整体性能。
例如，将石墨烯与金属氧化物复合，可以兼顾导电性和储能密度；将碳纳米管与金属有机骨架材料复合，可以提高电极材料的稳定性和循环寿命。
总的来说，超级电容器的电极材料需要具有高导电性、大比表面积、丰富的孔隙结构、优异的稳定性和循环寿命等特点。
当前，虽然已经有了一些较为理想的电极材料，但仍然存在一些挑战，如材料制备工艺、性能优化和成本控制等方面需要进一步研究和改进。
相信随着材料科学和能源技术的不断发展，超级电容器的电极材料将会不断涌现出新的突破，为超级电容器的应用提供更多可能性。
《超电容器》
超级电容器电极材料的研究进展摘要：对不同电极材料的储能机理和性能特点进行了简要的阐述，并详细综述了活性碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物三类超级电容器电极材料的研究进展和现状, 并探讨了其发展方向和研究重点。
关键字：超级电容器；双电层电容器；法拉第准电容器；电极材料0 前言超大容量电容器（supercapacitor）又称电化学电容器，是一种介于普通静电电容器与二次电池之间的新型储能元件。
由于它具有比功率高、比容量大、成本低、循环寿命长、无记忆、充放电效率高，不需要维护和保养等优点，因此在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有广阔的应用前景。
世界各国都给予了高度重视，并将其作为重点开发项目和战略研究进行研发。
美国能源部制定了电化学电容器的发展计划，其近期（1998～2003年）目标为：比能量达5 Wh/kg，比功率达500 W／kg；远期（2003年以后）目标为：比能量达15 Wh/kg，比功率达1500 W／kg。
1. 超电容储能机理超大容量电容器按原理可分为双电层电容器(Electric double layer capacitor)和赝电容电容器(pseudo－capacitor)，也称法拉第准电容。
作为第一类导体的电极与第二类导体的电解质溶液接触时，充电时则在电极/溶液界面发生电子和离子或偶极子的定向排列，形成双电层电容。
双电层电容器的电极通常为具有高比表面积的多孔炭材料，目前常用的炭材料有:活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、碳气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、网络结构炭以及某些有机物的炭化产物。
赝电容是指通过电极表面改性——在电极中引入高度可逆的氧化还原对或偶极子的吸附形成法拉第赝电容在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生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。
电极物质发生了包括电子传递的法拉第反应，但是它的充放电行为却更象一个电容器而不是加法尼电池，具体表现为:①电池系统的电压随充入或放出电荷量的多少而呈线性变化；②当对电极加一个随时间线性变化的外电压 dv/dt V t (V⋅ S -1) 时，可以观察到一个近乎常量的充放电流或电容 I = C⋅ V/dt = CV t ，是提高电化学电容数值的重要方法。
课件 超级电容器
超级电容器的大容量和高功率充放电就是由 这2种原理产生的。充电时,依靠这2种原理储存 电荷,实现能量的积累;放电时,又依靠这2原理, 实现能量的释放。
因此,制备高性能的超级电容器有2个途径: 一是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电 容量;二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机 率,从而提高准电容容量。
1、多孔电容炭材料
玻态炭 电导率高，机械性能好；
结构致密，慢升温制作难，价贵。
玻态炭
只能表层活化 纳米孔玻态炭
活性玻态炭
纳米孔玻态炭
多孔碳层 厚15~20 um 整体多孔，比能量提高 多孔碳层的电导率高， 快速升温炭化，成本大降 多孔碳层比功率18kW/L 但电容器的比能量很低（0.07Wh/L）
•这种充放电行为,Ru的氧化物(RuO2)表现最显著,但其 最早的表现形式是H在Pt或Pb在Au上进行欠电位沉积, 产生高度可逆的化学吸附、脱附。
•为与双电层电容及电极与电解液界面形成的真正的静 电电容相区别,称这样得到的电容为法拉第准(赝)电容。
•法拉第准(赝)电容不仅只在电极表面,而且可在整个电 极内部产生,因而可获得比双电层电容更高的电容量和 能量密度。在相同电极面积的情况下,法拉第准(赝)电容 可以是双电层电容量的10～100倍。
➢
➢ 超级电容器介于电容器和电池之间的储能器件，既具有电容器可 以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。
双电层原理示意图
双电层电极、溶液界面结构示意图
Struture diagram of the interface between electrode and electrolyte
双电层电容器充电状态电位分布曲线
超级电容的性能指标
➢ 循环寿命： 20秒充电到额定电压，恒压 充电10秒，10秒放电到额定电压的一半， 间歇时间：10秒为一个循环。一般可达 500000次。寿命终了的标准为：电容量低 于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5 倍
《超级电容器》PPT课件
寿命：
在25℃环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60℃ 的环境温度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿 命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的 蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低 于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。
循环寿命：
20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额 定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可 达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容 量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。
Dimension(mm)
Volume Weight
(ml)
(g)
AC
D
L WT
<123 10 20
1.6
2.4
<35
8
30
<70 10 30
<38 16 25
<23 18 40
<61
8
20
<29 10 20
<26
8
30
<26 10 30
<21 16 25
<14 18 40
1.5
2.2
2.4
3.6
5.0
Nominal Voltage (V)
Dimensions (mm)
Product Family
4.5V
20.0 x 15.0 28.5 x 17.0 39.0 x 17.0
GZ 2 GW 2 GS 2
DC capacitance 2 (mF ± 20%) 4
75 140 - 550 250 - 1200
ESHSP-1700C0-002R7
ESHSP-3500C0-002R7
超级电容器电极材料科普
超级电容器电极材料科普超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。
研究和开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。
目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧化物)、导电聚合物等，而碳材料和金属氧化物电极材料的商品化相对较成熟，是当前研究的热点。
1什么是超级电容器？超级电容器(supercapacitors 或ultracapacitors)又称电化学电容器(electrochemical capacitors)，是一种介于二次电池与常规电容器之间的新型储能器件，兼有二次电池能量密度高和常规电容器功率密度大的优点；此外，超级电容器还具有对环境无污染、效率高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点，在电动汽车、新能源发电、信息技术、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
超级电容器还可以与充电电池组成复合电源系统，既能够满足电动车启动、加速和爬坡时的高功率要求，又可延长充电电池的循环使用寿命，实现电动车动力系统性能的最优化。
当前，国内外已实现了超级电容器的商品化生产，但还存在着价格较高、能量密度低等问题，极大地限制了超级电容器的大规模应用。
超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。
研究和开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。
目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧化物)、导电聚合物等，而碳材料和金属氧化物电极材料的商品化相对较成熟，是当前研究的热点。
因此，本文将重点介绍碳材料、金属氧化物及其复合材料等高性能电极材料的最新研究进展以及商品化应用前景。
2碳材料作为超级电容器电极材料的最新研究进展碳材料发展史碳材料是目前研究和应用最为广泛的超级电容器电极材料，主要包括活性炭、模板炭、碳纳米管、活性炭纤维、炭气凝胶和石墨烯等。
超级电容器.ppt
六、总结
DDGS:可溶性干酒糟（Distillers Dried Grains with Solubles） EDLC:双电层电容器(Electric double layer capacitor) EDS:能量色散谱（Energy-dispersive spectroscopy） SEM:扫描电子显微镜（Scanning electron microscope） TEM:透射电子显微镜（Transmission electron microscope） EIS:电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy） CV:循环伏安法(Cyclic Voltammetry)
二、超级电容器的分类
1.双电层电容器（Electrical double-layer capacitor）
公式： C 4d
原理：离子迁移
双电层电容器工作原理示意图
二、超级电容器的分类
2.赝电容电容器
在电极表面或者体相中的二维空间上，活性物质进行欠电位沉积，产生高度 可逆的化学吸附/脱附或者氧化还原反应所产生的电容。
原理：法拉第电池
赝电容器原理图
三、超级电容器性能影响因素
1.比表面积（Specific surface area） 2.孔径分布（Pore size distribution） 3.孔隙结构（Porous structure） 4.表面官能团（Surface functional groups）
四、电极材料
1.炭电极材料 活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶、模板炭、
纳米炭管、石墨烯、 2 .氧化物电极材料
二氧化锰的晶体结构、二氧化锰的电荷存储 机理、二氧化锰的制备工艺 3 .导电聚合物电极材料
超级电容器电极材料综述
超级电容器电极材料综述超级电容器电极材料超级电容器，作为当下储能研究的一大热点，普遍具有以下优势： 1、快速的充放电特性 2、很高的功率密度 3、优良的循环特性然而，它的不足完全制约了它的实际应用――能量密度很低。
目前，商用的超级电容器可以提供10WhKg-1，而相比之下，锂离子电池的能力密度高达18010WhKg-1。
因此，如何能提高超级电容器的能量密度，称为眼下超级电容器研究领域亟待解决的首要问题。
学术圈致力于通过开发新的电极材料、电解质、独创的器件设计方案等方法，来实现这一问题的突破。
想要通过更好的电极材料（同时需要价格低廉，环境友好）来实现在超级电容器性能上的重大的进展，需要对电荷储存机理，离子电子的传输路径，电化学活性位点有全面、深远的认识。
由此，纳米材料因为其可控的离子扩散距离、电化学活性位点数量的扩大等特点成为研究热门。
根据储能机理的不同，超级电容器可以分为：双电层电容器EDLC，赝电容。
EDLC通过物理方法储存电荷――在电解质、电极材料界面上发生可逆的离子吸附。
而赝电容通过化学方法储存电荷――在电极表面（几纳米深）发生氧化还原反应。
通常，EDLC的电极材料为碳材料，包括活性炭，碳纳米管，石墨烯等。
然而赝电容的电极材料包括：金属氧化物（RuO2, MnO2, CoOx, NiO,Fe2O3），导电高分子（PPy，PANI,Pedot）。
设计一款高性能的超级电容的标准是： 1、很高的比容量（单位质量的比容量，单位体积的比容量，或者是活性物质的面积）2、很高的倍率性能在高的扫速下200mV/s或电流密度下，容量的保持率。
3、很长的循环寿命另外，活性材料的价格与毒性也需要计入考量。
为了制备高容量的电极材料，上述因素需要进一步讨论。
1、表面积：因为电荷是储存在电容器电极的表面，具有更高表面积的电极可以提高比容量。
纳米结构的电极可以很好的提高电极的表面积。
2、电子和离子的导电性：因为比容量、倍率性能是由电子、离子的导电性共同决定，高的离子、电子电导将会很好的维持CV曲线中的矩形图线，以及GCD中充放电曲线的对称性。
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CNT与金属氧化物、导电聚合物、石墨烯的复合 材料
2.1 碳材料
M u l t i w a l l e d C a r b o n N a n o t u b e s ( M W C N T s ) 多 壁 碳 纳 米 管 H u m m e r s 法 剥 离 C u r v e d G r a p h e n e N a n o s h e e t s ( C G N ) 弯 曲 石 墨 烯 纳 米 片
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
电池
超级电 容器
通过不同的制备方法（如PLD）得到纳米化的结构，
研究热点
如已制备了纳米棒、纳米片纳米环、分级多孔纳米 花、中空纳米球等，主要为了增大表面积，同时有
利于离子的传输；复合材料
2.2 过渡金属
PLD
Wang, Huanwen, Yalan Wang, and Xuefeng Wang. "Pulsed laser deposition of the porous nickel oxide thin film at room temperature for high-rate pseudocapacitive energy storage." Electrochemistry Communications 18 (2012): 92-95.
高能量密度 高功率密度 长循环寿命
ห้องสมุดไป่ตู้
超级电容器
• 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池特性,能 提供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功率密度和更长的 循环寿命。
1.2 超级电容器的应用
电子
新能 源
国防
汽车 超级 电容器
通讯
1.3 超级电容器的分类
双电层
法拉第准电容器, 其电容的产生是 电极表面或体相中的二维或准二维 空间上, 电活性物质进行欠电位沉 积, 发生高度的化学吸脱附或氧化 还原反应, 产生与电极充电电位有 关的电容, 如金属氧化物电极电容 器和导电聚合物电极电容器
2.3 导电聚合物
原理
导电聚合物材料
主要是法拉第准电容：电极内具有高电化学活性的导电聚合 物进行可逆的P型或n型掺杂或去掺杂； 还有一部分电极/溶液界面的双电层
种类 优点
聚吡咯；聚苯胺；聚噻吩
通过设计聚合物的结构，优选聚合物的匹配性，来提高电容 器的整体性能；比电容大；成本低
缺点 研究热点
品种少；直接用导电有机聚合物作电化学电容器电极材料电 容器内电阻较大；充放电过程会发生膨胀，影响使用寿命 开发新的导电聚合物；改进导电聚合物电极材料的性能，优 化超级电容器阴、阳极上聚合物的电化学匹配性；复合材料
• 复合材料
例如：
碳材料 • 比电容小 • 导电性能好
复合材料
金属氧化物材料 • 导电性差 • 比电容大
• 材料纳米化 • 纳米结构的材料具有高比表面积，能够为电子和离子的传输扩散
提供短通道，从而提高与电解液离子的接触，使得材料在高电流 密度下也有高的充放电速度。
双电层电容器, 其电容的 产生主要基于电极/电解液 上电荷分离所产生的双电 层电容, 如碳电极电容器
法拉第
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
• 指单位质量或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热 效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能承受电流的能 力, 单位为kW /kg或kW /L。
。。。。
2.1 碳材料
原理 种类 优点 缺点
研究热点
碳素材料
EDLC 活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米管 （CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等
原料丰富价格低廉；比表面大；导电性好；化学 稳定性高 比电容相对较小；能量密度不高 活化活性炭（物理/化学）；碳材料的分散高度有
序的碳纳米管阵列；修饰石墨烯；复合材料：如
Wang, Huanwen, Yalan Wang, and Xuefeng Wang. "Pulsed laser deposition of large-area manganese oxide nanosheet arrays for highrate supercapacitors."New Journal of Chemistry (2013).
3. 展望
提高
电极材料
能量密度
高比电容
宽电势窗口
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。
3. 展望
未来电极材料的发展有两个重要的方向:
• 3. 能量密度, 也称比能量
• 指单位质量或单位体积的电容器所给出的能量, 单位为Wh /kg 或Wh/L。
• 4. 循环稳定性
1.5 超级电容器的组成
集流体
超
级
电极
电
容
电解质
器
隔膜
电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素之一。
1.5 超级电容器的组成
超级电容器 电极材料
碳素材料 金属氧化物 导电聚合物
2.2 过渡金属
原理 种类
金属氧化物材料
以法拉第电容为主，也包含双电层电容：离子的吸 附/脱吸附和插入/脱出
贵金属氧化物（RhO、IrO）；贱金属氧化物（Co3O4、 NiO/NiOH、MnO2、V2O5等）
优点
高的比电容（是碳材料的10 ~ 100倍）；稳定性好
缺点
结构致密，导电性能差；电势窗口太窄