超级电容器电极材料综述
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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
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
1.4 超级电容器的性能指标
• 1. 比电容
单ห้องสมุดไป่ตู้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。
• 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
2.2 过渡金属
金属氧化物材料 原理 种类 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
缺点
高的比电容（是碳材料的10 ~ 100倍）；稳定性好
结构致密，导电性能差；电势窗口太窄
集流体
超 级 电 容 器
电 极 电解质
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
碳素材料
超级电容器 电极材料
金属氧化物
导电聚合物 。。。。
2.1 碳材料
碳素材料
原理 种类
优点 缺点 研究热点
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 CNT 与金属氧化物、导电聚合物、石墨烯的复合 材料
• 复合材料
例如：
碳材料 • 比电容小 • 导电性能好
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。
欢迎大家批评指正 !
通过不同的制备方法（如 PLD ）得到纳米化的结构， 如已制备了纳米棒、纳米片纳米环、分级多孔纳米 研究热点 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
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
超级电容器
电池
• 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
国防
电子
汽车
超级 电容器
新能 源
通讯
1.3 超级电容器的分类
双电层
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
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.
2.3 导电聚合物
导电聚合物材料
原理
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 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
种类
优点
缺点
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 研究热点 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
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
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:
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
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
1.4 超级电容器的性能指标
• 1. 比电容
单ห้องสมุดไป่ตู้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。
• 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
2.2 过渡金属
金属氧化物材料 原理 种类 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
缺点
高的比电容（是碳材料的10 ~ 100倍）；稳定性好
结构致密，导电性能差；电势窗口太窄
集流体
超 级 电 容 器
电 极 电解质
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
碳素材料
超级电容器 电极材料
金属氧化物
导电聚合物 。。。。
2.1 碳材料
碳素材料
原理 种类
优点 缺点 研究热点
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 CNT 与金属氧化物、导电聚合物、石墨烯的复合 材料
• 复合材料
例如：
碳材料 • 比电容小 • 导电性能好
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。
欢迎大家批评指正 !
通过不同的制备方法（如 PLD ）得到纳米化的结构， 如已制备了纳米棒、纳米片纳米环、分级多孔纳米 研究热点 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
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
超级电容器
电池
• 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
国防
电子
汽车
超级 电容器
新能 源
通讯
1.3 超级电容器的分类
双电层
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
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.
2.3 导电聚合物
导电聚合物材料
原理
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 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
种类
优点
缺点
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 研究热点 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
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
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: