超级电容器
新能源材料-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
功能材料研究所
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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。
(a) 碳气凝胶 (b) 花朵上的碳气凝胶
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8.2 碳材料系列
碳气凝胶的制备： 1）形成有机凝胶：有机凝胶的形成可得到具有三维空 间网络状的结构凝胶； 2）超临界干燥：超临界干燥可以维持凝胶的织构而把 孔隙内的溶剂脱除； 3）碳化：碳化使得凝胶织构强化，增加了机械性能， 并保持有机凝胶织构。 只有热固性有机气凝胶才能制备碳气凝胶，否则碳化将破坏 凝胶结构。碳气凝胶的原料一般采用间苯二酚和甲醛，二者 在碱催化剂作用下发生缩聚反应，形成间苯二酚甲醛 RF(resorcinol formaldehyde)凝胶。用超临界干燥法把孔隙 内的溶剂脱除形成RF气凝胶，RF气凝胶在惰性气体下碳化 得到保持其网络结构的碳气凝胶。
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8.1 超级电容器概述
双电层原理示意图
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双电层电容器充电状态电位分布曲线
Profile of the potential across electrochemical double 功能材料研究所 layer capacitor in the charged condition
超级电容器工作原理
超级电容器工作原理超级电容器（Supercapacitor），也被称为超级电池、超级电容、超级电容器等，是一种具有高能量密度和高功率密度的电子元件。
它的工作原理是基于电荷分离和电化学反应。
一、电荷分离超级电容器由两个电极、电解质和隔离层组成。
电极通常由活性炭、金属氧化物或导电高分子材料制成。
当电容器处于未充电状态时，正负极之间的电荷是平衡的。
当外部电源连接到电容器的正负极上时，正极吸收电子，负极释放电子，从而导致电荷分离。
这种电荷分离的过程非常快速，使得超级电容器具有高功率密度。
二、电化学反应电解质在电荷分离的同时，也发生了电化学反应。
电解质通常是由溶液或凝胶形式的离子液体组成。
当电解质中的离子与电极接触时，发生电化学反应。
这个反应过程中，离子在电极表面形成了一个电化学双层，即电荷层。
电化学双层的形成使得超级电容器具有高能量密度。
三、储能和释能过程在充电过程中，外部电源通过正极将电子注入到电容器中，同时电解质中的离子也被吸附到电极表面。
这个过程中，电容器的电荷和能量都在增加。
在放电过程中，电容器的正负极之间的电荷流动，电解质中的离子回到溶液中。
这个过程中，电容器的电荷和能量都在减少。
超级电容器的充放电速度非常快，可以在几秒钟内完成。
四、优势和应用领域超级电容器具有以下优势：1. 高功率密度：能够在短时间内释放大量的能量，适用于需要高功率输出的应用，如电动汽车的启动。
2. 长寿命：相对于传统电池而言，超级电容器的循环寿命更长，可以进行数万次的充放电循环。
3. 快速充放电：充电和放电速度快，可以在短时间内完成储能和释能过程。
4. 宽温度范围：超级电容器的工作温度范围较广，适用于各种环境条件下的应用。
超级电容器在许多领域有广泛的应用，包括：1. 交通运输领域：用于电动汽车的启动、制动能量回收和辅助动力系统。
2. 工业领域：用于储能系统、UPS电源、电网稳定和峰值削减。
3. 可再生能源领域：用于储能系统，平衡可再生能源的不稳定输出。
超级电容器结构
知识创造未来
超级电容器结构
超级电容器的结构主要分为两种：电双层电容器和赋存电容器。
1. 电双层电容器（Electric Double-Layer Capacitor，EDLC）：电双层电容器的结构由两个电极（正极和负极）和电解质组成。
电极
通常采用活性炭材料，具有高比表面积和孔隙结构，以增加电极与
电解质接触的面积。
电解质既可以是有机物质，也可以是无机盐溶液。
当电压施加在电极上时，电解质中的正、负离子会在电极表面
形成电双层，形成电荷分离，从而存储电能。
2. 赋存电容器（Pseudocapacitor）：赋存电容器的结构类似于传
统的电化学储能器件，如铅酸蓄电池等。
它包括两个电极和电解质，但电极材料不同于电双层电容器，而是采用具有赋存效应的材料，
如金属氧化物和导电聚合物。
这些材料具有较高的可逆氧化还原反应，并能够通过红ox反应来存储电能。
以上是超级电容器的两种常见结构，每种结构都有其特定的优势和
应用领域。
电双层电容器具有高功率密度、长寿命和低内阻的特点，适用于短时高功率输出和储能装置中的能量平衡；赋存电容器具有
较高的能量密度和较长的充放电周期，适用于需要较长工作时间和
较高能源密度的应用。
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超级电容器的原理与应用
超级电容器的原理与应用超级电容器，又称为超级电容、超级电容放电器，是一种新型电化学器件，它具有比传统电容器更高的电容量和能量密度，以及更高的功率密度。
这种电化学器件在现代电子设备、交通工具、能源储存系统等领域有着重要的应用。
本文将从超级电容器的原理、结构、特点以及应用领域等方面进行介绍。
一、超级电容器的原理超级电容器的工作原理基于电荷的吸附和离子在电解质中的迁移。
其正极和负极均采用多孔的活性碳材料，两者之间的电解质是导电液体。
当加上电压时，正负极之间形成两层电荷分布，即电荷层，进而形成电场。
电荷的吸附和电子的迁移使得电容器储存电能。
二、超级电容器的结构超级电容器的主要结构包括两块活性碳电极、电解质和两块集流体。
活性碳电极是超级电容器的核心部件，通过高度多孔的结构使得电极表面积大大增加，从而增加电容器的电容量。
电解质则起着导电和电荷传递的作用，而集流体则是用于导电的金属片或碳素片。
三、超级电容器的特点1.高功率密度：超级电容器具有较高的功率密度，能够在短时间内释放大量电能。
2.长循环寿命：相比于锂离子电池等储能装置，超级电容器具有更长的循环寿命。
3.快速充放电：超级电容器具有快速的充放电速度，适用于需要频繁充放电的场景。
4.环保节能：超级电容器不含有有害物质，具有较高的能源利用效率。
四、超级电容器的应用1.汽车启动系统：超级电容器作为汽车启动系统的辅助储能装置，能够有效提高发动机启动速度，降低能源消耗。
2.再生制动系统：超级电容器在电动汽车的再生制动系统中起到储能和释放能量的作用，提高能源回收效率。
3.电网能量储存：超级电容器可用作电网能量的储存装置，用于平衡电力需求与供给之间的波动。
4.工业自动化设备：超级电容器在工业自动化领域中广泛应用，用于缓冲电源波动和提供紧急供电。
5.医疗设备：超级电容器可用于医疗设备的储能，确保设备持续稳定运行。
结语超级电容器以其高功率密度、长循环寿命、快速充放电等特点在各个领域发挥着重要作用，为现代社会的能源存储和利用提供了新的技术解决方案。
超级电容器材料
超级电容器材料超级电容器是一种能够快速存储和释放大量电能的电子元件，它具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快速充放电等特点，因此在许多领域都有着广泛的应用前景。
而超级电容器的性能很大程度上取决于其材料的选择，因此超级电容器材料的研究和开发显得尤为重要。
目前，常见的超级电容器材料主要包括活性炭、氧化铅、镍氢氧化物、聚苯胺等。
活性炭是一种常见的电极材料，它具有高比表面积和良好的导电性，能够提供良好的电容性能。
氧化铅具有良好的导电性和化学稳定性，适合用于电解质。
镍氢氧化物具有高比容量和良好的循环寿命，是一种优秀的电极材料。
聚苯胺具有良好的导电性和循环稳定性，适合用于制备电极材料。
除了以上常见的超级电容器材料外，近年来，一些新型材料也开始受到关注。
例如，二维材料（如石墨烯、硫化钼、氮化硼等）因其特殊的结构和优异的电化学性能，被认为是潜在的超级电容器材料。
此外，金属有机框架材料、碳纳米管、氧化钛等材料也展现出了良好的电容性能，受到了广泛关注。
在超级电容器材料的研究中，除了单一材料的研究外，复合材料也成为了研究的热点之一。
通过将不同材料进行复合，可以充分发挥各种材料的优点，从而实现超级电容器性能的进一步提升。
例如，将活性炭与氧化铅复合，可以提高电容器的能量密度；将聚苯胺与氧化钛复合，可以提高电容器的功率密度。
此外，超级电容器材料的研究还需要考虑材料的制备工艺、表面改性、电极结构设计等方面的问题。
通过优化材料的制备工艺，可以提高材料的比表面积和导电性能；通过表面改性，可以改善材料的电化学性能和循环稳定性；通过设计合理的电极结构，可以提高电容器的能量密度和功率密度。
总的来说，超级电容器材料的研究和开发是一个综合性的课题，需要涉及材料科学、化学工程、电化学等多个领域。
随着材料科学和技术的不断进步，相信未来会有更多新型超级电容器材料的出现，为超级电容器的性能提升和应用拓展提供更多可能性。
超级电容器基本原理及性能特点
超级电容器基本原理及性能特点朋友们！今天咱们来聊聊一个挺神奇的玩意儿——超级电容器。
你可别小瞧它，这小小的家伙在很多领域都有着大作用呢！那超级电容器到底是个啥原理呀？简单来说呀，它就像是一个超级“能量小仓库”。
想象一下，普通的电容器就像一个小盒子，能装点儿能量，而超级电容器呢，就像是一个大仓库，能装下超多的能量。
它是通过电极和电解质之间形成的界面来储存电荷的。
当给超级电容器充电的时候呀，就好像是在往这个“仓库”里装东西，电子就会跑到电极表面，然后在那里聚集起来。
而电解质里的离子呢，也会凑过来，和电子相互吸引，这样就把能量给储存起来啦。
当需要放电的时候呢，就好比是从“仓库”里往外取东西，电子和离子又会重新活跃起来，释放出储存的能量，为我们所用。
是不是感觉还挺有趣的呀？超级电容器的性能特点那可真是让人忍不住要夸一夸。
先说说它的充电速度吧，那简直就是“闪电侠”啊！和传统的电池相比，超级电容器充电速度超快的。
普通电池充电可能得等上好几个小时，就像等一个慢悠悠的蜗牛，急死人啦！但是超级电容器呢，可能只需要几分钟甚至更短的时间就能充满电，这速度，就像火箭一样快！比如说，在电动汽车领域，如果用上超级电容器，那充电就不再是一件让人头疼的事儿啦，分分钟就能让车充满电，继续踏上快乐的旅程。
再瞧瞧它的功率密度，这也是超级电容器的一大亮点哦。
功率密度高意味着它能在短时间内释放出大量的能量。
就好比是一个爆发力超强的运动员，在关键时刻能一下子爆发出巨大的力量。
在一些需要瞬间大功率输出的设备中，超级电容器就大显身手啦。
比如在相机的闪光灯中，当你按下快门的那一刻，超级电容器就能迅速提供足够的能量，让闪光灯瞬间亮起，捕捉到美好的瞬间。
还有哦，超级电容器的使用寿命那也是相当长的。
普通的电池用着用着，可能就会出现各种问题，寿命就像沙漏里的沙子，一点点地流逝。
但是超级电容器就不一样啦，它就像一个顽强的战士，能经受住长时间的使用和充放电循环，寿命长得让人惊叹。
超级电容器工作原理
超级电容器工作原理超级电容器是一种高能量密度的电子元件，它具有较高的电容值和较低的内阻，能够实现快速充放电。
它的工作原理主要基于电荷的分离和电场的存储。
1. 电荷分离超级电容器的工作原理首先涉及到电荷的分离过程。
当电容器连接到电源时，正极和负极之间会产生电场。
在这个过程中，正极上的电子会被吸引到负极，而正极则会失去电子，形成正离子。
这个过程会导致电荷的分离，形成正负电荷的集聚。
2. 电场存储电荷分离后，正负电荷之间形成了电场。
超级电容器的工作原理之一就是利用这个电场来存储电能。
电场的强度与电荷量和电容器的几何形状有关。
超级电容器通常采用高表面积的电极材料，如活性炭等，以增加电容器的电容值。
当电容器充电时，电场的能量存储在电场中，而不是在电介质中。
3. 快速充放电超级电容器的另一个关键特点是快速充放电能力。
由于电容器内部的电阻较低，电荷能够快速流动。
这使得超级电容器能够在短时间内存储或释放大量的电能。
相比之下，传统的化学电池需要较长的时间来充电和放电。
4. 电容器类型和结构超级电容器可以分为两种类型：电双层电容器（EDLC）和伪电容器（pseudo-capacitor）。
电双层电容器基于电荷分离和电场存储的原理，而伪电容器则利用了电化学反应来增加电容值。
电双层电容器通常采用活性炭作为电极材料，而伪电容器则使用具有高纳米孔隙结构的金属氧化物或导电聚合物。
超级电容器的结构包括两个电极和一个电解质介质。
电极通常由活性炭或金属氧化物制成，而电解质介质可以是有机溶液或固体聚合物。
电极和电解质之间的接触面积越大，电容器的电容值就越高。
5. 应用领域超级电容器的工作原理使其在许多领域中得到广泛应用。
其中一项主要应用是作为储能装置。
超级电容器可以在短时间内存储大量的电能，并且具有长寿命和高效率。
它们可以用于平衡能源供应和需求之间的差异，提供瞬态功率支持，以及应对电网峰值负荷。
此外，超级电容器还可以用于电动车辆和混合动力车辆中的动力系统。
超级电容器工作原理
超级电容器工作原理超级电容器，也被称为超级电池或超级电容，是一种能够储存和释放大量电荷的设备。
它与传统的电池不同，不依赖于化学反应来存储能量，而是通过电场的形式储存电荷。
超级电容器具有高能量密度、高功率密度和长寿命等优点，被广泛应用于电子设备、交通工具以及可再生能源等领域。
超级电容器的工作原理可以简单地描述为两个电极之间储存电荷的过程。
它由两个电极、电解质和隔离膜组成。
首先，超级电容器的两个电极分别被连接到正负极电源上。
当电源接通时，正极电极吸收正电荷，负极电极吸收负电荷。
这个过程中，电解质会形成一个电荷分离的层，使得正负电荷在电极表面分别聚集。
接下来，当电源断开时，电荷仍然保留在电极表面。
这是因为电解质的隔离膜具有良好的电导性，可以阻止电荷的直接流动。
而电解质中的离子则可以在电场的作用下通过隔离膜移动，使得正负电荷在电极表面保持分离。
当需要释放储存的电荷时，超级电容器的两个电极再次连接到电路中。
由于电极表面的电荷分离，电荷会从正极电极流向负极电极，产生电流。
这个过程非常快速，超级电容器可以在短时间内释放大量电荷，提供高功率输出。
需要注意的是，超级电容器的能量密度相对较低，即单位体积或质量所储存的能量较少。
这是由于电容器的电容量受到电极表面积和电解质的影响。
为了提高能量密度，研究人员一直在寻找新的电极材料和电解质。
总结起来，超级电容器工作原理可以归纳为以下几个步骤：1. 电源接通，电极吸收正负电荷，形成电荷分离的层。
2. 电源断开，电荷保留在电极表面，通过电解质的离子在电场作用下保持分离。
3. 电极连接到电路中，电荷从正极流向负极，产生电流，释放储存的能量。
超级电容器的工作原理使得它具有很多应用的优势。
例如，在电子设备中，它可以作为备用电源提供短时间的高功率输出，应对突发需求；在交通工具中，它可以储存制动能量并在需要时释放，提高能量利用效率；在可再生能源领域，它可以平衡电网负荷，储存多余的能量并在需求高峰时释放。
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电极材料
电极材料是影响超级电容器性能的重要因素。 为了进一步提高超级电容器的容量和循环寿命，最主要的 是开发新的高比容量，高比功率的电极材料。 超级电容器的电极材料可以分为以下几类:炭电极材料， 金属氧化物电极材料，导电聚合物电极材料，复合电极材 料。
碳电极材料
目前已经开发用在双电层电容器上的碳材料有:活性炭 粉末、活性碳纤维、碳纳米管、膨胀性石墨、碳气凝胶、 炭黑和石墨烯等。 炭材料的性质中最为关键的几个影响因素为炭材料的表 面积和粒径分布，炭材料的电学稳定性，炭材料的导电 率。
在沿海岛屿、边远山区，地广人稀的草原牧场等地方， 风能和太阳能可作为解决生产和生活能源的一种可靠 途径。然而，这些能源还不能稳定地供给。将超级电 容器与风力发电装置或太阳能电池组成混合电源，超 级电容器在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能 量以电能的形式存储起来，在夜晚或风力较弱时放电， 可解决上述问题。
超级电容器还可用作汽车的主电源。
（4）工业领域
超级电容器在工业不间断电源(UPs)、安全预防 设备以及仪器仪表等方面得到广泛应用。
（5）消费电子领域
使用超级电容器做为储能元件的手电筒，充电只 需90秒，循环寿命可达50万次，可使用约135年。电 子玩具常要求瞬时大电流，而电池无法提供，使用超 级电容器作为电源不仅可以解决这个问题，还可以降 低使用成本、减轻质量。一种自动的切管工具用于替 代一种己经有十年历史的旧式手持切管设备。考虑实 际应用，要求能提供瞬间高功率及长寿命，并且要求 快速充电，一次充电能满足100次的切割工作，超级 电容器与电池混联后能使产品满足应用的需求。
超级电容器的研究及应用现状
美国、日本、韩国、俄罗斯、德国等国研究超级 电容器起步较早，技术相对比较成熟。
我国研究超级电容器相对较晚，始于上世纪 90年代，目前发展较为迅速。
超级电容器的储能原理
双电层电容器
双电层电容器的电解质一般为硫酸或氢氧化钾，电容是由 双电层所引起。双电层电容器的能量储存在双电层电容器 界面上，界面两边分别是电子导电的电极和离子导电的电 解液。其工作的电化学过程可以写成:
法拉第准电容电容器
法拉第准电容电容器，又称赝电容 器，它的储能机理是电活性离子在 贵金属电极表面发生欠电位沉积， 或在贵金属氧化物电极表面及体相 中发生的氧化还原反应而产生的吸 附电容。
法拉第准电容器通常具有更大的比电容，是双电层电容 的10一100倍。
混合型机制电容器
混合型机制电容器又称非对称电容器，它是利用两种不 同的电极材料做正负极制作的电容器，其中一极产生双 电层电容，另一极产生法拉第准电容。其优点是拓宽使 用电压范围并具有较高的能量密度。
普通金属氧化物电极材料目前研究的比较多的是MnO2 和NiO
图中ox为氧化态电极物质，red为还原态电极物质，其充放电过程与双 电层电容器基本相同，不同的是其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储， 而且包括电解液中离子在电极活性物质中发生氧化还原反应而将电荷储存于 电极中。不仅发生在电极表面，而且可深入电极内部，通常具有更大的电容 和更高的能量密度。
活性炭材料
对于碳材料而言，理论上，电容量与比表面积成正比， 因此如何提高碳材料的比表面积就是关键。 活性炭表面由大孔、中孔和微孔表面构成。电极受外电 压作用在孔表面形成电双层时，大孔主要起传输电解液的作 用，所形成的电双层对电容的贡献较小;中孔既起输送电解液 的作用又起电双层的作用;孔宽度小于2nm的微孔则仅部分形 成双电层贡献电容量。
不同温度下煅烧产物的SEM照片
产物的孔特性
循环伏安图
充放电图（1mA/cm2）
循环测试
鸡蛋壳膜碳化产物的SEM照片
金属氧化物电极材料
金属氧化物在电极/电解液界面产生的法拉第准电容远 大于炭材料表面的双电层电容，其容量大概是炭材料 电容容量的10一100倍，有很广阔的发展前景。 金属氧化物电极材料分为贵金属氧化物电极材料和普 通金属氧化物电极材料。 贵金属氧化物电极材料目前研究最成熟的是RuO2。
三、根据储能原理，超级电容器可分为三大类
(l)双电层电容器(EDLC)
(2)法拉第准电容电容器
(3)混合类型电容器
四、根据电解液不同，超级电容器可分为如下 三类
(l)有机系超级电容器 (2)水系超级电容器 (3)全固态超级电容器
超级电容器的结构
超级电容器的特点
超级电容器的应用
（1）绿色能源领域
超级电容器的组成
电极
集流体
隔膜
电解液
辅助部件
电解液
电解液的分解电压决定了超级电容器的最大可用电压。 电解质可以是水溶液也可是有机溶液。目前应用于超级电容 器的电解质主要是有机电解液，与水系电解液相比，有机电 解液内阻较大，所以开发导电性好、安全性好、成本低的水 系电解液或电解质固态化也是研发超级电容器的主要工作之 一。
超级电容器分类
一、根据电极材料的不同，超级电容器可 分为以下四种: (l)碳电极电容器
(2)金属氧化物电极电容器;
(3)导电聚合物电极பைடு நூலகம்容器;
(4)复合材料电极电容器
二、根据结构及电极上发生的反应，超级电 容器可分为以下两类。
（1）对称型超级电容器，其特点是两个电极 的组成相同，电极反应相同且反应方向相反。 （2）非对称型超级电容器，两个电极组成不 同或反应不同，例如由n型和p型掺杂的导电 聚合物作电极的超级电容器。
Different Carbon Structures Used in EDLCs with Onion-like Carbon (OLC), Carbon Nanotubes, Graphene, Activated Carbons, and Carbide-Derived Carbons
P. SIMON, AND Y. GOGOTSI, ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH, 2011.
超级电容器用导电PANI的制备及电化 学性能研究
（2）军事领域
近年来，超级电容器因具有功率密度高，充电 速度快，循环寿命长等优点受到军事家的青睐。例 如美军的“微波炸弹”，依靠其装有的超级电容器 发出的超强电磁脉冲深入掩体内部进行爆炸破坏， 打击威力极其强大。将超级电容器用于重型卡车， 装甲车以及坦克，可以实现快速启动。航母用的电 磁弹射器，要求在10～15秒内将飞机弹射出去，弹 射能量达120兆焦，最短起飞循环时间45秒，用超 级电容器供电可满足要求。
导电聚合物电极材料
导电聚合物电极材料的电容量主要也是有法拉第准电容提 供的。其作用机理是，通过导电聚合物在充放电过程中的 氧化还原反应，在聚合物中发生快速可逆的n型或p型元素 掺杂和去掺杂氧化还原反应，使聚合物达到很高的储存电 荷密度，产生很高的法拉第准电容而实现电能储存。
聚合物电极材料是由整个三维立体结构内发生快速可逆 的法拉第准电容反应实现储存能量的，因而比电容要优 于仅靠电极/电解液的界面双电层储能的碳材料电极的 比电容。通常聚合物电容器的比电容比活性炭作电极材 料的双电层电容器的比电容大2一3倍，其中以聚毗咯 (PPY)、聚曝吩(PTH)、聚苯胺(pAN)、聚对苯(PP)聚乙 烯二茂铁(PvF)等聚合物最具代表性。
（3）交通领域
将超级电容器与蓄电池并联作为汽车的启动电 源，在启动初始时，由超级电容器向启动机提供强 大的启动电流带动发动机转动，能延长蓄电池使用 寿命，此外，还可使汽车的起步速度大大提高。 汽车在制动过程中消耗的能量大约占总驱动能 量的30%，回收制动能量的有效方法是采用容量大 且能快速充放电的储能元件来收集能量。
超级电容器
超级电容器是一种性能介于常规电容器和二次电池之间的 新型储能元件。与传统意义上的电容器相比，超级电容器 具有更高的比电容量和能量密度，与二次电池相比则具有 功率密度高，充放电时间短，循环性能好，使用寿命长， 便于维护等特点。从某种意义上来说，超级电容器具备了 传统电容器和二次电池的双重功能，其功率密度远高于普 通电池，能量密度远高于传统电容器，填补了这两个传统 技术间的空白。超级电容器同时也可在极低温等极端恶劣 的环境中使用，并且无环境污染。