新能源材料-超级电容器.ppt

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1、第八章超级电容器8.1超级电容器概述8.2碳材料系列8.3金属氧化物材料8.4导电聚合物材料8.5复合材料8.6其他材料8.1超级电容器概述超级电容器(Supercapacitors)是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器模块超级电容器超级电容器基本原理：利用活性碳多孔电极和电解质组成的

2、双电层结构获得超大的容量。化学电容储能机制：双电层电容--电极表面与电解液间双电层储能。准电容--电极表面快速的氧化-还原反应储能。8.1超级电容器概述相应的两类电极——组成三种电容器a）双电层电容器正、负极—多孔碳b）准电容器正、负极—金属化合物、石墨、导电聚合物。寿命短、电压低c）混合电容器电化学电容+电池（电压、能量密度高）8.1超级电容器概述双电层电容原理双电层电容原理是指由于正负离子在固体电极与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。这种储能原理允许大电流快速充放电,其容量大小随所选电极材料的有效比

3、表面积的增大而增大。充电时,在固体电极上电荷引力的作用下,电解液中阴阳离子分别聚集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。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。8.1超级电容器概述双电层原理示意图8.1超级电容器概述双电层电容器充电状态电位分布曲线Profileofthepotentialacrosselectrochemicaldoublelayercapacitorinthechargedcondition在结构上，超级电容器和电池或电解电容器的主要区别是电极材料,它能存储与其容量成正比的电荷，并在要求放

4、电时释放电荷。超级电容与电解电容的最大区别是其电子双层架构，它能实现更高的容量。一种相似的双电层结构，超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料比较超级电容器的优点8.1超级电容器概述1、电容量超大、能量密度高，这是与传统电容器相对而言，目前以商品化的超级电容器电容量达到10000F或更高，比普通电容器大10～100倍。2、功率密度大，能够在数秒内快速释放所贮存的能量，同时又能在几分钟内快速充电，比功率可达到1000～2000W/kg甚至更高，比电池高10～20倍。3、充放电效率较高，可以达到90%～95%。4、循环寿命

5、超长，可以达到10万次以上。5、工作温度范围广，为-40℃～60℃，且不会在性能方面有太大差异。6、可靠性高、维护费用低，正常工作寿命长达90000h以上。7、绿色环保，不含镉、铅、汞等有害物质。近年来超级电容器的研究呈现出空前热潮。电极材料是决定超级电容性能器的两大关键因素（电极材料与电解液）之一，所以超级电容器电极材料的研究成为超级电容器研究的的热点。近年出现的电容器电极材料分为碳材料系列，金属氧化物材料，导电聚合物等。目前研究最广泛的是各种活性碳材料。8.1超级电容器概述在超级电容器电极材料中，应用最为广泛的是各种碳材料。根据双电层原理，

6、电极表面的双电层电容约为20µF/cm²。理论上，若采用比表面积2500m²/g的活性碳做电极材料，可获得的比容量高达500F/g。这种较高的理论值使得人们对高比表面积的碳材料产生了极大的兴趣。目前碳电极材料的研究核心是优化孔结构来提高比容量和能量密度。8.2碳材料系列多孔电容炭材料性能要求1、高比表面>1000m2/g理论比电容>250F/g2、高中孔孔容12~40Å400l/g，大于40Å的孔容50l/g，3、高电导率4、高的堆积比重5、高纯度灰份<0.1%6、高性价比7、良好的电解液浸润性各指标间相互矛盾二、技术及电极材料的进展已

7、研制的电容炭材料活性炭（粉、纤维、布）——应用最多的电极材料纳米碳管碳气凝胶活化玻态炭纳米孔玻态炭优势：（1）成本较低；（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，最高达到500F/g，一般200F/g。性能影响因素：（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。研究趋势：材料复合、降低成本1、多孔电容炭材料8.2碳材料系列1）活性碳粉末制备活性碳的原料来源丰富，石油、煤、木材、坚果壳、树脂都可以用来制备活性碳粉。原料不同，生产工艺也略有差别。活化方法可分为物理活化（采用CO2，水蒸

8、气为活化剂)和化学活化（ZnCl2，H3PO4，KOH等为活化剂）。原料和制备工艺决定了活性碳的物理和化学性能。8.2碳材料系列由于活性碳纤维的密度(