超级电容器汇总

比电容高达1335
Fg-1, 并具有良好
的电容保持特性
石墨烯上生长聚吡咯 电化学沉积聚吡咯， 比电容高达1510
Fg-1, 面积比电容
为151 mF cm−2
4
4-1 超级电容器的电极材料
4.石墨烯
a） b）
石墨烯/赝电容材料复合电极 层次化 聚苯胺纳米线/石墨烯
30
4
4-1 超级电容器的电极材料
25
4
4-1 超级电容器的电极材料
4.石墨烯
什么是石墨烯超级电容器？
石墨烯超级电容器为基于石墨烯材 料的超级电容器的统称。由于石墨烯独 特的二维结构和出色的固有的物理特性， 诸如异常高的导电性和大比表面积，石 墨烯基材料在超级电容器中的应用具有 极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电 极材料相比，在能量储存和释放的过程 中，显示了一些新颖的特征和机制。
特 性
4
4-2 超级电容器的电解液
有机系超级电容器的优缺点 优点
具有较高的分解电压 较高的能量密度 较高的电化学稳定性 耐高压 产品使用寿命长 工作温度范围宽 有机电解液应该尽量避免水的存在， 水的存在会导致电容器性能的下降， 自放电加剧
缺点
电容器的过充会导致有毒的挥发性 物质产生，同时也会使电容器的储 电能力显著下降甚至消失
4
2
特点
2
超 级 电 容 器 的 八 大 特 点
超级电容器的特点
充放电寿命长 电容量大 等效串联电阻 相对常规电容大
可任意并联 增加电容量
免维护，环保
工作温度范围宽 快速充电
大电流放电
6
3
分类
3
超级电容器的分类
超级电容器
双电层电容器 法拉第赝电容器
电化学作用（ 法拉第反应）储能
静电作用（ helmholtz双电层 ）储能
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4
4-1 超级电容器的电极材料
4.石墨烯
石墨烯超级电容器的优缺点
具有非常高的电导率104~106S/m 非常大的比表面积~2675 m2/g 超强的断裂强度~130GPa 超大的杨氏模量~1TPa 循环稳定性强 石墨烯层间易堆积，降 低了比表面积，同时也阻碍 了电解液进入电极表面。 价格较贵，5000元/g
1.贵金属RuO2电容性能的研究
（1）使用硫酸作为电解液， 容量高，功率大，成本高。 （2）热分解氧化法比容量为 380F/g，溶胶凝胶法为768F/g。 2.添加W、Gr、Mo、V、Ti等的 氧化物 （1）降低成本 （2）复合后性能提高 WO3/RuO2比容量高达560F/g Ru1-xGrxO2比容量高达840F/g
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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 功率密度高 安全性高 寿命高 已商业化
电压低 能量密度低 成本高 自放电大
法拉第赝电容器
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
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优 点 缺 点
4.石墨烯
石墨烯/赝电容材料复合电极
RuO 2纳米粒子/石墨烯
4
4-1 超级电容器的电极材料
法拉第赝电容对金属化合物的要求
高比表面—高比容量 低电阻率—高比功率
要求
化学稳定性—长寿命 高纯度—减少自放电 价格低—便于推广使用
4
4-1 超级电容器的电极材料
三种主要的赝电容器电极材料
贵金属 廉价金属
电极材料 实例
活性炭 碳纳米管 碳气凝胶 石墨烯 聚苯胺 聚吡咯 聚乙炔
RuO2 MnO2 V2O5
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双电层电容器
炭材料
导电聚合物
法拉第赝电容器
金属氧化物
4
4-1 超级电容器的电极材料
1.活性炭
优势：
1、成本低 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，能达到 500F/g，一般为200F/g 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
日本高度纸业(NKK公司)
1.用于小型超级电容器的无纺布隔膜（扣式）
规格
MPF
厚度范围（μm）
30～300
应用
低自放电扣式
材料
P.P.聚丙烯
2.用于大型超级电容器的纤维素隔膜（卷绕式或叠层式）
规格
TF40 TF45 TF48
厚度范围（μm）
30，35，50，60，70 30，35，40，50，60, 40，50
超级电容器
超级电容器
目
2 3
分类
录
4
结构
1
概念
特点
5
制作工艺
6
性能指标
7
应用
8
生产厂家
1
概念
1
超级电容器的概念
什么是超级电容器？
超级电容器（supercapacitor）是指相对传统电容器而 言具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来储存能量。
超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既 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。
充电时，在固体电极上电荷引 力的作用下，电解液中的阴阳离子 分别聚集在两个固体电极的表面。 放电时，阴阳离子离开固体 电极的表面，返回电解液本体。
+
-
+
+
+ + +
(a) 充电
(b) 放电
-
-
+ + + + + +
+ + + + + +
-
-
+
+
-
9
3
3-1 双电层电容器
双电层电容的优缺点
(1) 寿命长，能维持数百万个充电循环的寿命； (2) 每个周期的平均成本低； (3) 良好的可逆性； (4) 充电和放电率非常高； (5) 非常低的内部电阻和随之而来的高周期效率（95%以上）和极 低的放热； (6) 高输出功率； (7) 比功率高； (8) 使用无腐蚀性的电解质和低毒性的材料，提高了安全性； (9) 简单的充电方法，不必进行过充检测，因为没有过充的可能。
11
3
3-2 法拉第赝电容
充电时，电解液中的离子在外加电 场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液 界面，而后通过界面的电化学反应进入 放电时这些进入氧化物中的离 到电极表面活性氧化物的体相中；若电 子又会重新回到电解液中，同时所 极材料是具有较大比表面积的氧化物， 存储的电荷通过外电路释放出来。 就会有相当多的这样的电化学反应发生， 大量的电荷就被存储在电极中。
(1) 一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量一般较低； (2) 高自放电率，大大高于电化学电池； (3) 非常低的内部电阻允许极快速放电时，容易导致隔膜破裂从而 发生短路。
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优 点
缺 点
3
3-2 法拉第赝电容器
法拉第赝电容
法拉第赝电容器也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的 二维或三维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆 的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这 种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征， 故称为“准电容”，是作为双电层型电容器的一种补充形式。
能量密度大
功率密度低 电压低 除RuO2外研究中 成本最高
4
结构
4
超级电容器的结构
电极材料 导电剂
电 极
粘结剂
超 级 电 容 器 结 构
集流体
无机电解液
电解液
有机电解液
离子电解液
隔 膜
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4
超级电容器的结构
超级电容器的结构示意图
集 流 体
电极材料 电解液
隔 膜
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4
超级电容器的结构
超级电容器的电极材料
有机系超级电容器和水系超级电容器的特性对比
有机系超级电容器 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 次 多孔炭材料 不发生化学反应 能承受接近 3V 电压 高功率、大充放电电流 静电储存电荷 适合大电流放电，不影响寿命 宽温度范围-40℃--70℃ 因不存在化学反应，寿命高，可达 100 万 水系超级电容器 1. 金属氧化物 2. 发生化学反应 3. 电压范围与金属氧化物有关，通 常小于 2V 4. 低功率、较小充放电电流 5. 正负极间发生电荷离子转移，本 质是感应电流 6. 大电流放电导致产品老化，气胀 7. 窄工作温度范围，低温性能差 8. 因存在化学反应，寿命低，一般 为 20 万次
电 解 液
性能要求
4
4-2 超级电容器的电解液
按照电解液的类型可以分为水系电解液和有机系电解液 水系电解液 中性电解液(NaSO4等) 有机/离子电解液 四氟硼酸四乙基铵(Et4NBF4)
四氟硼酸甲基三乙基铵(MeEt3NBF4)
酸性电解液(H2SO4等)
碱性电解液(KOH等)。
4
4-2 超级电容器的电解液
4
4-2 超级电容器的电解液
水系超级电容器的优缺点
优点 较高的电导率 内阻低 电解质分子直径较小， 容易 与微孔充分浸渍 价格便宜 缺点 较低的功率 较小的充放电电流 大电流会导致器件老化， 产生气化膨胀，引起电 解液泄漏 产品使用寿命低
4
4-3 超级电容器的隔膜
日本高度纸业(NKK公司)和美国Celgard公司
A–
C+
C+ C+ C+
机理
–
+
A– A– C+ A– A– C+ A– C+ A– C + C+
C+
+
A–
A– A– A–
C+ C+
–
A–
(a) 充电
(b) 放电
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3
3-2 法拉第赝电容器
法拉第赝电容的优缺点
法拉第赝电容器优点：
在电极面积相同的情况下，法拉第赝电容器 的比电容是双电层电容器的10-100倍，同时具有 较大的比容量和能量密度。
（2）循环性能较差
4
4-1 超级电容器的电极材料
导电剂、粘结剂和集流体
导电剂：导电炭Biblioteka 、乙炔黑和导电石墨。粘结剂：羧甲基纤维素钠(CMC)、羧基丁苯胶乳(SBR) 和聚偏氟乙烯(PVDF)。
集流体：钛材料(酸性电解液)、镍材料(碱性电解液) 和铝材料(有机/离子电解液)。
4
4-2 超级电容器的电解液
无水凝胶
气凝胶
超临界干燥
液体CO2置换
优点：电子导电性好
碳气凝胶
缺点：制备工艺复杂 所用药品毒性较大
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4
4-1 超级电容器的电极材料
4.石墨烯
什么是石墨烯？
石墨烯（Graphene）是由碳原子 构成的只有一层原子厚度的二维晶体， 碳原子之间相互连接成六角网格。铅 笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯 叠在一起。
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法拉第赝电容
双电层电容
3
3-3 混合型超级电容器
锂离子电容器
结 构 图
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3
充电
电解液 中的Li+嵌入 到石墨层间 形成嵌锂石 墨，同时， 电解液中的 阴离子则吸 附在活性炭 正极表面形 成双电层。
3-3 混合型超级电容器
锂离子电容器机理
放电
Li+从负极 材料中脱出回到 电解液中，正极 活性炭与电解液 界面间产生的双 电层解离，阴离 子从正极表面释 放，同时电子从 负极通过外电路 到达正极。
性能影响因素：
研究趋势：材料复合，降低成本
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4
4-1超级电容器的电极材料
2.碳纳米管
单壁纳米管
多壁纳米管
优点：高导电率，比功率高， 缺点：比表面积小，成本高。
因此一般作为添加剂使用
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4
4-1 超级电容器的电极材料
3.碳气凝胶
碳气凝胶制备方法：
甲醛、间二苯酚 以Na2CO3催化热凝 炭化
凝胶
丙酮置换
活性炭
碳气凝胶
碳纳米管 石墨烯
金属氧化物
导电聚合物
混合型超级电容器
静电和电化学作用共同储能
对称型电极 复合电极材料
非对称型电极 赝电容+双电层电极
可充电电池型
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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。
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缺点 优点
快速充放电
大功率
4
4-1 超级电容器的电极材料
4.石墨烯
石墨烯电极结构设计
超薄平面石墨烯超级电容器
新型设计
更能有效发挥石墨烯片层的双电层作用
传统设计
层层堆叠阻碍石墨烯 片层的双电层作用的发挥
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4
4-1 超级电容器的电极材料
石墨烯/赝电容材料复合电极
4.石墨烯
石墨烯上生长纳米晶体Ni(OH)2
1. MnO2材料
溶胶凝胶法制得的MnO2水 合物在KOH溶液中的比容 量为689F/g 2. NiO材料 溶胶凝胶法制得的多孔 NiO比容量为265F/g 3. 多孔V2O5水合物比容 量为350F/g）（在KCl溶 液中） 4. Co3O4干凝胶
导电聚合物
1. 研究情况
聚苯胺、聚对苯、聚吡咯、 聚并苯、聚噻吩、聚乙炔、 聚亚安酯等 2. 性能特点 可快速充放电、温度范围 宽、不污染环境 3. 存在的问题 （1）稳定性差
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。
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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。
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。