超级电容器 指导教师：唐致远 朱姜涛 2012.11.11

1. 超级电容器 指导教师：唐致远 朱姜涛 2012.11.11

2. 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

3. 基本介绍 • 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

4. 107 106 105 104 103 100 10 1 Capacitors Specific power （w/kg） Electrochemical capacitors Batteries Fuel cells • 0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100 500 1000 Specific energy（Wh/kg）

5. 超级电容器电极的循环伏安曲线 • non ideal • ideal +i –i – voltage, V +

6. 超级电容器的充放电曲线 ideal non ideal Charging Discharging V, volt t, time

7. 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。

9. 超级电容器分类 • 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。

10. 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

11. 超级电容器的电极材料要求 • 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esr） • 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。

12. 研究现状 性能良好 价格廉价 对环境友好 • 碳材料 • 导电聚合物 • 贵金属氧化物 • 过渡金属氧化物

13. 碳材料 • 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

14. 导电聚合物材料 • 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。

15. 贵金属氧化物材料 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。

16. 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

17. 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。

18. 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

19. 超级铅酸电池 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。

21. 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。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。

22. 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。

23. Thank you for attention !