超级电容器的研究PPT课件

1、超级电容器的研究超级电容器超级电容器的研究的研究超级电容器的研究目目 录录一、概述一、概述二、分类二、分类三、有关碳材料的研究三、有关碳材料的研究四、四、性能与碳材料结构的关系性能与碳材料结构的关系五、应用领域和发展趋势五、应用领域和发展趋势超级电容器的研究 超级电容器超级电容器(Supercapacitors)，又名电化学电容器，又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器，双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)，是上世纪七、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八十年代发展起来的一种新型的

2、储能装置是一种具备高能量密度的电化学电容器。备高能量密度的电化学电容器。一、超级电容器的概述一、超级电容器的概述超级电容结构如图超级电容结构如图超级电容器的研究各种超级电容器各种超级电容器超级电容器的研究 1）双电层电容双电层电容基于电解液中离子和电极基于电解液中离子和电极表面之间的表面之间的静电吸引静电吸引而产生的双电层电容而产生的双电层电容，例如采用碳基材料作为电极材料例如采用碳基材料作为电极材料。 2）法拉第赝电容法拉第赝电容基于电极表面的活性物基于电极表面的活性物质发生的质发生的快速可逆氧化还原反应快速可逆氧化还原反应或者法拉第或者法拉第电荷转移反应而产生的电荷转移反应而产生的法拉第赝

3、电容法拉第赝电容, ,例如例如采用金属氧化物或者导电聚合物作为电极材采用金属氧化物或者导电聚合物作为电极材料。料。1. 超级电容器的储能机理超级电容器的储能机理超级电容器的研究 双电层原理示意图双电层原理示意图超级电容器的研究2. 性能特点性能特点 介于电池和物理电容器之间介于电池和物理电容器之间表表1 铅酸电池、超级电容器和普通电容器的性能对比铅酸电池、超级电容器和普通电容器的性能对比超级电容器的研究3. 超级电容器优缺点超级电容器优缺点 优点：优点： 高功率密度：输出功率密度高达数高功率密度：输出功率密度高达数KW/kg,一般蓄电池一般蓄电池的数十倍；的数十倍； 极长的充放电循环寿命：循环

4、寿命可达万次以上；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：非常短的充放电时间：0.1-30s即可完成；即可完成； 温度特性好温度特性好：工作温度范围宽；：工作温度范围宽； 节约能源；节约能源； 绿色环保。绿色环保。缺点：缺点： 如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；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。交流电路。超级电容器的研究二、二、超级电容器超级电容器的分类的分类1. 按原理分：双电层型超级电容和赝电容按原理分：双电层型超级电容和赝电容型超级电容器。型超级电容器。1

5、) 双电层型超级电容器双电层型超级电容器 包括：包括：活性炭（粉、纤维）活性炭（粉、纤维）电极材料、电极材料、碳气凝胶碳气凝胶电极电极材料、材料、碳纳米管碳纳米管电极材料、电极材料、石墨烯石墨烯电极材料超级电电极材料超级电容容器。器。超级电容器的研究 2) 赝电容型超级电容器赝电容型超级电容器(1) 金属氧化物材料金属氧化物材料 贵金属氧化物材料贵金属氧化物材料 RuO2：无定型无定型RuO2拥有更高拥有更高的电导率，更高的比电容，更高的电化学可逆性。的电导率，更高的比电容，更高的电化学可逆性。 替代替代RuO2的廉价金属氧化物材料的廉价金属氧化物材料MnO2和和NiO。超级电容器的研究(2)

6、 导电聚合物材料导电聚合物材料 聚苯胺聚苯胺(PANI)、聚、聚吡吡(PPy)和聚和聚噻吩噻吩(PTh) 他们的一些他们的一些相关衍生相关衍生物物。 优点：优点： 价格低廉、对环境友价格低廉、对环境友好、高导电率、高度好、高导电率、高度可逆以及活性可控。可逆以及活性可控。纳米尺寸导电聚合纳米尺寸导电聚合物物超级电容器的研究2. 按电解质类型分类按电解质类型分类1) 水性电解质水性电解质 酸性电解质：酸性电解质：36的的H2SO4水溶液水溶液 碱性电解质：碱性电解质：KOH、NaOH等强碱等强碱 中性电解质：中性电解质：KCl、NaCl等盐等盐2) 有机电解质有机电解质 LiClO4为典型代表的

7、锂盐为典型代表的锂盐 TEABF4作为典型代表的季胺盐作为典型代表的季胺盐3) 液体电解质超级电容器液体电解质超级电容器4) 固固体电解质超级电容器体电解质超级电容器超级电容器的研究1、活性炭（、活性炭（AC）电极材料电极材料 性能特点：性能特点：表面积较高，孔径可调，可批量生产，表面积较高，孔径可调，可批量生产，价格低廉。价格低廉。三、碳材料超级电容器的性能特点三、碳材料超级电容器的性能特点 碳纤维碳纤维超级电容器的研究2、碳气凝胶、碳气凝胶电极材料电极材料 优点：比表面积高，密度变化范围广，结构可调。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制备方法如上图所示超级电容

8、器的研究3、碳纳米管、碳纳米管(CNT)电极材料：电极材料：单壁纳米管和多壁单壁纳米管和多壁 纳米管纳米管特点：高导电率，比功率高，比表面积小，成本高。特点：高导电率，比功率高，比表面积小，成本高。超级电容器的研究4、石墨烯、石墨烯电极材料电极材料 特点：导电率较高，化学性能特点：导电率较高，化学性能稳定稳定，机械强度机械强度较高较高，阻抗较小。阻抗较小。超级电容器的研究四、超级电容器性能与碳材料四、超级电容器性能与碳材料 结构的关系结构的关系1、比表面积比表面积 理论上讲，比表面积越大，其容量也越大理论上讲，比表面积越大，其容量也越大，但比，但比 表面积大，通常只会提高质量比容量，而更重要表

9、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的体积比容量会降低，而且材料导电性也差。2、孔径分布孔径分布 孔径越大，电化学吸附速度越快，即使在比表面孔径越大，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递更多的能量。超级电容器的研究3、表面、表面官能团官能团 主要通过两种途径：主要通过两种途径： 1）改变表面的润湿性能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从制备高容量、耐高压、稳定性

10、好的电容器角度出发出发 , 要求要求活性炭材料表面的官能团有一个合适活性炭材料表面的官能团有一个合适的比例的比例。超级电容器的研究4、微晶结构、微晶结构 对超级电容器来说对超级电容器来说,中孔比例大一些比较好中孔比例大一些比较好 中孔碳材料的方法主要有三种中孔碳材料的方法主要有三种: 1）催化活化法）催化活化法 2）混合聚合物炭化法）混合聚合物炭化法 3）模板炭化法）模板炭化法超级电容器的研究五、应用领域和发展趋势五、应用领域和发展趋势 1、应用领域：、应用领域： 税控机、税控加油机、真空开关、智能表、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、掌远程抄表系统、仪器

11、仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳电上电脑、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。传输系统等微小电流供电的后备电源。 智能表作电磁阀的启动电源智能表作电磁阀的启动电源 。超级电容器的研究 太阳能警示灯，航标太阳能警示灯，航标灯等太阳能产品中代灯等太阳能产品中代替充电电池。替充电电池。 手摇发电手电筒等小手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充型充电产品中代替充电电池。电电池。 电动玩具电动机、语电动玩具电动机、语音音IC、LED发光器等发光器等小功率电器的驱动电小功率电器的驱动电源。源

12、。超级电容器的研究 2、发展历史：、发展历史： 早在早在1879年，年，Helmholz 发现了双层电容性质，提发现了双层电容性质，提出了双电层的概念出了双电层的概念。 1957年年Bcker首先提出了可以将较小的电容器用做首先提出了可以将较小的电容器用做储能器件储能器件,其具有接近于电池的比能量。其具有接近于电池的比能量。 1968年标准石油公司年标准石油公司Sohio首先提出了利用高比表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技术转让给NEC公司，公司，NEC公司在公司在1979年开始生年开始生产超级电容器用于电动汽

13、车的启动系统。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，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容器开始大规模的产业化。超级电容器的研究 3 3、发展趋势：、发展趋势： 提高性能、降低成本是超级电容器发展的主旋律提高性能、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从超级电容器的发展历史来看，电容器虽然能够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重量能量比，期望将来超级电容器能够代替电，期望将来超级电容