超级电容器指导教师：唐致远

朱姜涛 2012.11.11

基本介绍 超级电容器与电池的比较 超级电容器分类 超级电容器的电极材料 超级电池

介于电池和静电电容器之间；

高功率密度、高充放电效率、良好的可逆性、长循环寿命及无污染 。

能量密度低，非水体系需要高纯、无水材料，比较昂贵

基本介绍

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100

10

10.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100 500 1000

Sp

ecif

ic p

ower

（w

/kg

）

Specific energy （ Wh/kg ）

CapacitorsCapacitors

Electrochemical

capacitors

Electrochemical

capacitors

BatteriesBatteriesFuel cellsFuel cells

超级电容器电极的循环伏安曲线

++ii

––ii

– voltage, V + +

ideal non ideal

超级电容器的充放电曲线

t, time

V,

volt

Charging Discharging

ideal non ideal

超级电容器与电池的比较• 结构——单体中都含有电极、电解质和隔膜材料 ；

• 生产工艺——电池生产线几乎不用改动就可用于生产电

化学电容器；

• 测试手段——所有用于电池的测试手段都可用于电化学

电容器。

电容器 电池

具有特征的斜坡式充电和放电曲线

理想地具有恒放电或充电电位， Li嵌入系统除外

具有相对差的能量密度 具有适当或良好的能量密度，取决于活性材料的等效重量和电极电位

具有良好的功率密度 具有较差的功率密度，决定于动力学

具有卓越的循环能力或循环寿命，由于电荷的简单充入和脱出

由于氧化还原的不可逆性和三维相变过程，具有较小的循环寿命，（电容器）的 1/100~1/1000

具有长寿命，除非集流体被腐蚀等 较差的寿命，由于活性材料的重新产生或劣化

具有小的或无极化 具有明显的随温度变化的极化（法拉第内阻）

• 双层型（ EDLC ）——主要是双层充电，主要是多孔碳材料；

• 准电容型（ psuedocapacitor ）——二维法拉第反应， RuO2 及部分金属氧化物；

• 导电聚合物电容器——电解质为导电聚合物，可归入准电容型；

• 混合型电容器（ hybrid capacitor ）——正极为金属氧化物，负极为活性炭或电极为复合材料。

超级电容器分类

超级电容器的电极材料

超级电容器电极材料的要求

研究现状

•高循环能力，循环寿命 >105 次；•长期稳定性，与循环寿命有关；•对电极表面电化学氧化或还原的阻力小；•高比表面积，大约 1000-2000m2g-1 ；•在溶液分解限度内循环的最大工作电位范围；•最优化的孔径分布，对应最大的比表面积和最小的电解质内阻（最小 es

r ）•良好的润湿性，因而有利的电极 / 溶液界面接触角（取决于孔结构）；•最小的内阻，由实际电极材料及相互接触造成的欧姆内阻；•电极材料形成机械性能良好的电极构造的能力（例如，将粉末与粘结剂、

纤维或机织 物纤维、气凝胶材料、玻璃碳结构压实）和开路时最小自放电的性能。

超级电容器的电极材料要求

碳材料

导电聚合物

贵金属氧化物

过渡金属氧化物

性能良好

价格廉价

对环境友好

研究现状

• 虽然碳材料的价格低廉，具有大的比表面积，但是碳材料作为电容器材料时，比容量相对较低。

• Anon 等利用比表面积为 2000 m2•g-1 的活性炭在水系和非水电解质中获得了高达280 F•g-1 和 120 F•g-1 的比容量，是目前活性炭材料所能达到的最大比容量

碳材料

导电聚合物材料具有良好的电子导电性，内阻小，比容量大，通常比活性炭材料高 2 ～ 3 倍，具有塑性，易于制成薄层电极

用导电聚合物作电化学电容器电极材料时，稳定性较差。

导电聚合物材料

昂贵的价格还是限制了它们的广泛应用；又因为它们一般具有较强烈的毒性，对环境污染严重，为此人们致力于寻找性能良好、价格低廉并且对环境无污染的电极材料来替代贵金属材料。

贵金属氧化物材料

过渡金属氧化物材料 • Anderosn 等用溶胶凝胶法制备的 MnO2 的比容量比由沉

积法制备的 MnO2 的比容量高出 1/3 之多，达到 698 F•g-

1 ，且循环巧 1500 次后，容量衰减不到 10% 。• Chan 等人采用液相法合成了 NiO 超微粒子，在 30 °C 下

焙烧制成 NiO 电极，单电极比容量达到 256 F•g-1

• 王晓迪以 [Co(NH3)6]3+ 络合离子和 Co2+ 为前驱物， 80 °C湿法制备 Co3O4 ，经 XRD 测试为纯相尖晶石型 Co3O4 ，通过对 TEM 照片分析，粒径为 4 ～ 6 nm ，将 Co3O4 制备成电极，在对电极进行测试后发现比电容达到 224.9 F•g-1

超级电池

将超级电容器电极与各种电池型电极全部或部分混合，构成非对称型超级电容器或超级电池已经成为一个新的发展方向。

背景 二次电池的功率密度较小，不能满足 HEV 在启动、加速、爬坡时的需要，并因为较差的循环寿命，而无法应用在 HEV上。 而作为绿色能源的超级电容器比起二次电池，有高功率密度，较短的充放电时间和较长的循环寿命，但是它的能量密度很小，也不能成为 HEV 理想的电源

所谓超级铅酸电池，是将非对称型超级电容器和铅酸电池并联结合在一个独立的单体中，构成一个混合型能量存储装置。它不需要额外的电子控制部分管理两个装置之间的电流，而增加系统的复杂性和成本。

超级铅酸电池

Lam 等用 PbO2 作为正极和 Pb-AC 作为负极制成了铅酸超级电池，它具有混合电容器和铅酸电池的优点。与铅酸蓄电池对比，它具有更高的功率密度和更低的成本。但是由于它的负极仍然使用铅粉，其对环境还是具有潜在的危害。

超级锂离子电池

Amatucci 等采用 Li4Ti5O12 作为阳极和用 AC 与插入混合物（比如 LiFePO4 ， LiCoO2 ）作为混合阴极组成了混合电池电容器。它结合了混合电容器和锂离子电池的优点，其能量密度比电容器的高，功率密度比锂离子电池的高，能满足 HEV 实际应用时的需要。并且它比起铅酸超级电池，混合电池电容器有更高的能量密度和较少的污染，值得进一步研究。

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