中科院兰州化物所科技成果——可耐超低温的高比能超级电容器体系的应用研发
超级电容器及其相关材料的研究
超级电容器及其相关材料的研究一、本文概述随着科技的不断进步和可持续发展理念的深入人心，超级电容器作为一种高效、环保的储能器件，正日益受到全球科研人员和工业界的广泛关注。
超级电容器以其高功率密度、快速充放电、长循环寿命等诸多优点，在新能源汽车、电子设备、航空航天等领域展现出广阔的应用前景。
本文旨在全面综述超级电容器及其相关材料的研究现状和发展趋势，分析超级电容器的性能特点，探讨新型电极材料的研发与应用，以期推动超级电容器技术的进一步发展，并为相关领域的研究人员提供有益的参考和启示。
本文首先介绍了超级电容器的基本原理、分类及性能特点，为后续研究提供理论基础。
随后，重点综述了近年来超级电容器电极材料的研究进展，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，并分析了各类材料的优缺点及适用场景。
本文还关注了电解质材料、隔膜材料等关键组件的研究现状，以及超级电容器的制造工艺和应用领域。
结合当前面临的挑战和未来发展趋势，本文展望了超级电容器技术的创新方向和应用前景，以期为未来相关研究提供有益的借鉴和指导。
二、超级电容器的基本原理与分类超级电容器，又称电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。
它具有极高的电荷储存能力，能在极短的时间内释放出大量的能量，从而满足了现代电子设备对高功率、快速充放电的需求。
基本原理：超级电容器的基本原理与传统的平行板电容器类似，都涉及到电荷的储存和释放。
然而，超级电容器的电极材料通常是具有高比表面积的纳米多孔材料，如活性炭、金属氧化物和导电聚合物等。
这些高比表面积的电极材料使得超级电容器能在极小的体积内储存大量的电荷，从而实现了高能量密度。
同时，超级电容器的电解质通常具有高的离子电导率，这有助于实现快速的充放电过程。
碳基超级电容器：以活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳材料为电极，利用碳材料的高比表面积和良好的导电性实现高能量密度和高功率密度。
金属氧化物超级电容器：以金属氧化物（如RuO₂、MnO₂、NiO等）为电极，利用金属氧化物的高赝电容特性实现更高的能量密度。
一种液体吸附原位红外表征系统
大型仪器功能开发 (216 ~ 220)一种液体吸附原位红外表征系统郭 艳，许传芝，王 嘉，张乐芬，牛建中（中国科学院 兰州化学物理研究所 羰基合成与选择氧化国家重点实验室，甘肃 兰州 730000）摘要：将液体吸附原位红外表征系统与红外光谱仪连接，是实现原位红外反应过程的重要技术环节. 原位红外表征过程中涉及的吸附液存储于液体吸附原位红外表征系统内，对一些沸点较高的液体可以通过加热套控温操作完成吸附，并在被测物质吸附反应过程中监测其结构变化. 系统可设置多个液体吸附池，实现在同一试验过程中进行多种液体切换吸附，满足被测物质吸附不同液体蒸汽的需求，还可以使被测物质吸附液体蒸汽，对固体表面进行惰性气体前处理或氢气还原处理. 最终通过原位红外监测出反应产物，实现液体吸附原位红外表征.关键词：液体吸附；原位红外反应；吸附反应；结构变化中图分类号：O657. 33; TH74 文献标志码：B 文章编号：1006-3757（2023）02-0216-05DOI ：10.16495/j.1006-3757.2023.02.012In-Situ Infrared Characterization System of Liquid AdsorptionGUO Yan ， XU Chuanzhi ， WANG Jia ， ZHANG Lefen ， NIU Jianzhong（State Key Laboratory for Oxo Synthesis and Selective Oxidation , Lanzhou Institute of Chemical Physics , ChineseAcademy of Sciences , Lanzhou 730000, China ）Abstract ：Connecting the in-situ infrared characterization system of liquid adsorption with the infrared spectrometer is an important technical link to realize the in-situ infrared reaction process. In-situ infrared characterization process involves the adsorption liquid stored in the in-situ infrared characterization system of liquid adsorption, which can simultaneously complete the adsorption of some liquids with high boiling point by heating a set of temperature control operation, so as to achieve the monitoring of the structural changes during the adsorption reaction of the measured substances. A number of liquid adsorption tanks in the system can be set up, which can carry out a variety of liquid switching adsorption in the same experimental process to meet the adsorption of different liquid vapors by the substance under test, as well as the adsorption of liquid vapors by the substance under test and inert gas pretreatment or hydrogen reduction treatment on the solid surface. Finally, the reaction products were detected by the in-situ infrared monitoring, and the in-situ infrared characterization of the liquid adsorption was realized.Key words ：liquid adsorption ；in-situ infrared reaction ；adsorption reaction ；change of structure红外光谱广泛应用于材料学、高分子化学、生物学、环境科学等领域. 红外测试根据分子内部分子振动或转动能级的跃迁，鉴别化合物分子结构.在原位表征技术领域，常需要在反应条件下，运用各种分析测试手段对被测物质进行研究，借助各种与分析测试手段相匹配的原位池，实现在原位或反收稿日期：2022−11−26； 修订日期：2023−05−26.基金项目：中国科学院兰州资源环境科学大型仪器区域中心仪器设备功能开发技术创新项目（lz202074） [LanzhouRegional Center for Resources and Environment Science, Chinese Academy of Sciences, Large-Scale Instrument Function Development Technology Innovation Project (lz202074)]作者简介：郭艳（1984−），女，工程师，从事分子光谱分析测试相关工作，E-mail ：通信作者：牛建中（1963−），男，正高级工程师，从事大型仪器相关工作，E-mail ：.第 29 卷第 2 期分析测试技术与仪器Volume 29 Number 22023年6月ANALYSIS AND TESTING TECHNOLOGY AND INSTRUMENTS June 2023应环境条件下对物质或反应的表征. 目前，红外光谱仪只能对被测物质进行常规的分子结构测试，无法实现被测物质吸附液体蒸汽以及被测物质吸附液体后反应机理的实时探测与表征. 本设计将液体吸附原位红外表征系统与红外光谱仪的原位红外池相连，通过监测被测物质吸附液体蒸汽后的中间产物以及最终产物，得到液体吸附原位红外表征的完整数据，通过鉴别谱图特征基团结构，最终准确判断目标产物. 将液体吸附池和外接管线通过三通阀连接，通过控制三通阀方向选择被测物质所需气氛，并通过外置配气系统将外接气氛带入被测物质表面. 通过控制加热套温度调节液体吸附池内液体温度，根据不同液体沸点调整加热套温度，实现被测物质吸附液体蒸汽，有效捕捉吸附过程中间产物以及最终产物的一系列谱图.1 液体吸附原位红外表征系统[1-3]液体吸附池可实现被测物质吸附液体蒸汽以及被测物质吸附液体后反应机理的实时探测与表征. 图1为液体吸附原位红外表征系统示意图. 该池体外围可以设加热套调节液体吸附池内液体温度，根据不同液体沸点调整加热套温度，实现被测物质吸附液体蒸汽，有效捕捉吸附过程的中间产物以及最终产物的一系列谱图. 同时，液体吸附池和外接管线通过三通阀连接，通过控制三通阀方向选择被测物质所需气氛（前处理气氛或者吸附液体蒸汽），并通过外置配气系统将外接气氛带入被测物质表面.根据试验需要可设置多个液体吸附池，用于被测物质吸附液体蒸汽，对固体表面进行惰性气体前处理或氢气还原处理，还可在同一试验过程中进行多种液体切换吸附，满足被测物质吸附不同液体蒸汽的需求，最终通过原位红外监测出反应产物，实现液体吸附原位红外表征.1.1 单一气氛吸附首先在液体吸附池1内装入所需吸附液体，盖上接有三通阀10、管线5和进气管3的顶盖2，接通加热套8的加热电源. 三通阀10、13开至液体吸附池1方向，三通阀18开至连接液体吸附池1方向，然后接入外接气路，气体通过三通阀10、管线5和进气管3进入液体吸附池1. 所进入的气体通过进气管3在液体吸附池1内鼓泡，液体蒸汽通过出气管4经三通阀13、18进入原位红外池内被测物质表面，实现单一气氛吸附. 如果需要对样品进行前处理或吸附后吹扫，可以将三通阀开至相反方向实现. 单一液体吸附实物图如图2所示.1.2 多种气氛切换吸附首先，分别在液体吸附池1、7、9内装入所需吸8134213610111475121520916191722212318原位红外池图1 液体吸附原位红外表征系统示意图（1）（7）（9）液体吸附池，（2）液体吸附池顶盖，（3）进气管，（4）出气管，（5）（6）（19）~（23）管线，（8）加热套，（10）~（18）三通阀Fig. 1 Schematic of in-situ infrared liquid adsorption characterization system第 2 期郭艳，等：一种液体吸附原位红外表征系统217附液体，依次盖上液体吸附池1、7、9的顶盖和三通阀，连接所有管线. 如果需要吸附液体吸附池7内的液体蒸汽，则先关闭三通阀12、13、15、16. 将三通阀10开至液体吸附池1相反方向，三通阀12开至液体吸附池9相反方向，三通阀11开至液体吸附池7方向，三通阀14开至连接液体吸附池7方向. 三通阀17、18开至连接液体吸附池7方向. 然后接入外接气路，气体通过三通阀10，经过气体管线到达三通阀11，再进入液体吸附池7. 液体蒸汽到达三通阀14后经管线分别过三通阀17、18后进入原位红外池内被测物质表面，最终实现液体吸附池7内气氛吸附.切换吸附液体吸附池9内液体蒸汽时，需要关闭三通阀14，将三通阀11开至液体吸附池7相反方向，三通阀16、17开至液体吸附池9方向. 打开三通阀12、15，其他条件同上. 可以通过切换三通阀方向实现不同液体蒸汽吸附.液体吸附原位红外表征系统的试验过程如图3所示. 红外光谱仪内置原位红外池，原位红外池体上设有进气管线和出气管线. 测试前液体吸附池接入反应气体，液体吸附池出气管线和原位红外池进口管线连接，连接原位红外池热电偶电源，冷凝水管连接水箱（热电偶用来测试原位池置样室温度，凝水管用来维持腔帽窗片处于室温环境）等. 测试时液体吸附池内液体蒸汽通过管线进入红外原位红外池内待测物质表面，持续监测物质吸附液体过程，检测器检测到的信号经数据采集系统输出一系列红外谱图.2 应用实例2.1 仪器与试剂红外光谱仪：Bruker Vertex 70（布鲁克）；液体吸附池（研制）；原位红外池（研制）；紫外灯光源：HSX-UV300（北京纽比特科技有限公司）；CO2：纯度高于99.99%；金属有机骨架材料（metal organic frameworks, MOF）复合物（自制备）；2-(四氢呋喃-2-基)乙酸甲酯（自制备）；Ni/CeO2（自制备）；CeO2（自制备）.2.2 实例1[4-9]利用液体吸附原位红外表征系统（图1），结合原位红外池监测光催化材料在连续光照条件下的反应中间物种. 通过液体吸附原位红外表征系统引入CO2，CO2鼓泡带水汽进入原位红外池，鼓泡过程中通过光照窗口用紫外灯持续照射被测物质2 h，监测MOF复合物CO2光还原过程的红外谱图变化（如图4所示）. 由图4可见，CO2鼓泡过程中CO2的吸收峰非常强，当紫外灯照射该MOF复合物时，随着光照时间增加，1 725、1 711 cm−1处的吸收峰持续增强. 同时，在指纹区1 286、1 191 cm−1处也捕捉到非常明显的的吸收峰.2.3 实例2[10]利用液体吸附原位红外表征系统，探测2-(四氢呋喃-2-基)乙酸甲酯在Ni/CeO2与CeO2表面的吸/脱附（如图5所示）. 通过液体吸附池鼓泡2-(四氢呋喃-2-基)乙酸甲酯水汽进入原位红外池，分别监测Ni/CeO2与CeO2表面的吸/脱附红外谱图. 首先监测Ni/CeO2和CeO2在室温（R. T.）下吸附2-(四氢呋喃-2-基)乙酸甲酯水汽的过程. 吸附饱和后，转换液体吸附原位池上三通阀，在升温条件下通入氢气气氛脱附，200 ℃脱附完成，比对Ni/CeO2和CeO2吸图2 单一液体吸附池图Fig. 2 Diagram of single liquid adsorption tank 进气管线出气管线冷凝水管热电偶三通阀单个液体吸附池原位红外池红外光谱仪图3 液体吸附原位红外表征系统试验过程Fig. 3 Experimental process of in-situ infrared characterization system of liquid adsorption218分析测试技术与仪器第 29 卷附的2-(四氢呋喃-2-基)乙酸甲酯的红外谱图.由图5可见，通过液体吸附池，Ni/CeO 2表面吸附2-(四氢呋喃-2-基)乙酸甲酯水汽后，持续升温过程仍然可以看到1 600 cm −1左右明显的吸收峰. CeO 2表面吸附2-(四氢呋喃-2-基)乙酸甲酯水汽后，升温脱附过程中，1 600 cm −1左右吸收峰消失. 利用液体吸附原位红外表征系统，实现了固体表面吸脱附水汽的原位红外监测，并且通过液体吸附原位红外池上的三通阀，实现同一试验过程中水汽吸附和气体脱附的切换.I n t e n s i t y /a .u .1 700 1 6001 500 1 200Wavenumber/cm −11 100 1 00022200 ℃200 ℃R.T.R.T.图5 2-(四氢呋喃-2-基)乙酸甲酯在Ni/CeO 2与CeO 2表面的吸/脱附Fig. 5 Absorption/desorption of 2-(tetrahydrofuran-2-yl)methyl acetate on Ni/CeO 2 and CeO 2 surfaces3 结论在原位红外测试过程中，利用液体吸附原位红外表征系统，被测物质可以吸附所需液体蒸汽，实现液体和被测物质反应过程的实时监测，分析物质反应过程中的结构变化、分峰解析基团结构，从而解析液体吸附原位红外的反应机理，进而实现原位红外被测物质吸附液体时反应机理的实时探测与表征. 通过设置多个液体吸附池，不但可以进行被测物质吸附液体蒸汽，而且还可以对固体表面进行惰性气体前处理或氢气还原处理. 同时，同一试验过程中还可以进行多种液体切换吸附，满足被测物质吸附不同液体蒸汽，最终通过原位红外监测出反应产物，实现液体吸附原位红外表征.参考文献：郭艳, 许传芝, 王嘉, 等. 一种液体吸附原位红外表征系统: CN115201145A [P ]. 2022-10-18. [GUO Yan,XU Chuanzhi, WANG Jia, et al. Liquid adsorption in situinfraredcharacterizationsystem:CN115201145A [P ]. 2022-10-18.]［ 1 ］郭艳, 许传芝, 王嘉, 等. RuNi 双活性组分负载型TiO 2催化CO 2甲烷化反应研究[J ]. 现代化工，2021，41（6）：110-113, 118. [GUO Yan, XU Chuanzhi,WANG Jia, et al. RuNi dual active components sup-ported TiO 2 catalyst for CO 2 methanation [J ]. Modern Chemical Industry ，2021，41 （6）：110-113, 118.]［ 2 ］郭艳, 许传芝, 王嘉, 等. 光催化材料原位红外池系统的研制[J ]. 分析测试技术与仪器，2020，26（4）：265-269. [GUO Yan, XU Chuanzhi, WANG Jia, et al. De-velopment of in situ infrared cell system for photocata-lytic materials [J ]. Analysis and Testing Technology［ 3 ］K u b e l k a M u n kWavenumber/cm −1图4 MOF 复合物CO 2光还原过程Fig. 4 Carbon dioxide photoreduction process of MOF complex第 2 期郭艳，等：一种液体吸附原位红外表征系统219and Instruments，2020，26 （4）：265-269.]Dong F, Han W G, Guo Y, et al. CeCoOx-MNS cata-lyst derived from three-dimensional mesh nanosheetCo-based metal-organic frameworks for highly effi-cient catalytic combustion of VOCs[J]. Chemical En-gineering Journal，2021，405 ：126948.［ 4 ］Huang X S, Dong F, Zhang G D, et al. A strategy forconstructing highly efficient yolk-shell Ce@Mn@TiOx catalyst with dual active sites for low-temperature se-lective catalytic reduction of NO with NH3[J]. Chem-ical Engineering Journal，2021，419 ：129572.［ 5 ］Fu Z H, Zhang G D, Han W L, et al. The water resist-ance enhanced strategy of Mn based SCR catalyst byconstruction of TiO2shell and superhydrophobic coat-ing[J]. Chemical Engineering Journal，2021，426：131334.［ 6 ］Ling W T, Zhao H J, Wu S L, et al. A CeCoOxcore/Nb2O5@TiO2double-shell nanocage catalyst［ 7 ］demonstrates high activity and water resistance forcatalytic combustion of o-dichlorobenzene[J]. Chem-istry-A European Journal，2021，27 （40）：10356-10368.Wu S L, Zhao H J, Dong F, et al. Construction of su-perhydrophobic Ru/TiCeOxcatalysts for the enhanced water resistance of o-dichlorobenzene catalytic com-bustion[J]. ACS Applied Materials & Interfaces，2021，13 （2）：2610-2621.［ 8 ］Zhang L W, Long R, Zhang Y M, et al. Direct obser-vation of dynamic bond evolution in single-atom Pt/C3N4 catalysts[J]. Angewandte Chemie International Edi-tion，2020，59 （15）：6224-6229.［ 9 ］Zhao Z L, Gao G, Xi Y J, et al. Selective and stableupgrading of biomass-derived furans into plasticmonomers by coupling homogeneous and heterogen-eous catalysis[J]. Chem，2022，8 （4）：1034-1049.［ 10 ］220分析测试技术与仪器第 29 卷。
“双碳”目标下推动能源技术区域综合示范的路径思考
*通信作者资助项目：中国科学院战略性先导科技专项（A 类）（XDA 21000000）修改稿收到日期：2022年3月30日专刊：科技支撑“双碳”目标实现S&T Supporting Realization of Carbon Peak and Carbon Neutrality Goals 新技术综合示范Comprehensive Demonstration of New Technologies引用格式：朱汉雄, 王一, 茹加, 等. “双碳”目标下推动能源技术区域综合示范的路径思考. 中国科学院院刊, 2022, 37(4): 559-566.Zhu H X, Wang Y , Ru J, et al. Thoughts on regional path of promoting comprehensive demonstration of low-carbon energy technology under “dualcarbon” goals. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2022, 37(4): 559-566. (in Chinese)“双碳”目标下推动能源技术区域综合示范的路径思考朱汉雄1 王 一1 茹 加2 曹大泉2 任晓光1 何京东2 陈海生2 蔡 睿1 刘中民1*1 中国科学院大连化学物理研究所 大连 1160242 中国科学院 重大科技任务局 北京 100864摘要 在典型区域推动面向碳达峰、碳中和（以下简称“双碳”）目标的能源技术（以下简称“双碳”能源技术）综合示范是中国科学院支撑“双碳”目标行动计划的重要内容。
文章从“技术集成示范”和“典型区域示范”2 个特征论述了开展“双碳”能源技术区域综合示范的意义，并基于中国科学院能源领域已有研究布局，提出了适合中国科学院推进“双碳”能源技术综合示范的多能融合理念及其 4 条主线，分别为化石能源清洁高效利用与耦合替代、非化石能源多能互补与规模应用、工业低碳/零碳流程再造和数字化/智能化集成优化。
超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究
超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究1. 本文概述随着现代科技的发展，能源存储技术正面临着前所未有的挑战和机遇。
超级电容器作为一种重要的能源存储设备，因其高功率密度、快速充放电能力、长寿命周期和环境友好性而受到广泛关注。
在超级电容器的构造中，复合电极材料的研发尤为关键，其直接决定了超级电容器的电化学性能和整体效能。
本文旨在探讨超级电容器复合电极材料的制备方法及其电化学性能。
本文将对目前广泛研究的几种复合电极材料，如碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，进行系统的综述。
这些材料在超级电容器中的应用优势和面临的挑战将被详细讨论。
接着，本文将重点介绍几种创新的复合电极材料制备技术，包括化学气相沉积、水热合成、溶胶凝胶法等。
这些方法在制备过程中对材料结构和形貌的控制，以及对电化学性能的影响将被深入分析。
本文将通过实验数据，评估所制备的复合电极材料在超级电容器中的实际应用性能，包括比电容、能量密度、循环稳定性等关键指标。
通过这些研究，本文旨在为超级电容器复合电极材料的发展提供新的视角和技术路径，推动能源存储技术的进步。
2. 文献综述超级电容器，也称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的能量存储设备。
它们的主要特点是具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电能力。
超级电容器的储能机制主要是双电层电容，涉及电极材料与电解质之间的电荷分离。
这一领域的研究起始于20世纪50年代，随着材料科学和电化学技术的进步，超级电容器在能量存储领域的重要性日益凸显。
超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料的性质。
近年来，研究者们广泛关注复合电极材料，因其能够结合不同材料的优点，从而提高超级电容器的整体性能。
常见的复合电极材料包括碳基材料、金属氧化物、导电聚合物等。
这些材料通过不同的复合策略（如物理混合、化学接枝、层层自组装等）进行组合，旨在提高比电容、能量密度和循环稳定性。
电化学性能是评估超级电容器电极材料的关键指标。
超级电容器技术简介
超级电容器技术的研究背景及发展现状1. 研究背景随着科技的进步及社会文明程度的提高，能源问题已成为人类社会可持续发展战略的核心，是影响当前世界各国能源决策和科技导向的关键因素，同时，也是促进能源科技发展的巨大推动力。
进入二十一世纪之后，能源短缺和环境恶化的问题日益严重，这促使人们应更加重视建立确保经济可持续增长、有利于环境的能源供应体系，节能和扩大新能源开发利用成为世界性的趋势。
石油作为一种不可再生资源，随着人类需求的不断增长，已面临严重的短缺，并由此不断引发全球性的社会、经济、政治问题。
而且，全球燃油汽车消费量的不断增加，燃油汽车排放的NO x和CO x对全球环境带来严重污染，并导致地球温室效应。
开发更加清洁、环保的电动汽车被认为是解决能源问题和环保问题的一条有效途径，目前已成为全球性的研究热点。
电动汽车的研究经过多年的研发，特别是最近十年来的集中研究，已经对电动汽车有了比较统一的认识。
纯电动汽车（镍氢电池或锂离子电池作主电源）适合于短途应用，燃料电池电动车由于技术和成本因素在二十到三十年内不具备商业化应用的竞争力，而混合电动车（“油＋电”混合，）被认为是最接近商业化的技术模式。
“油＋电”混合电动车中的“电”主要是指二次电池，主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。
目前，商品化的二次电池虽然具有较高的比能量，但比功率都很低，一般不超过500W/kg，而且电池在高脉冲电流放电或大电流充电时会影响其使用寿命，并引起电池内部发热、升温，存在安全隐患。
燃料电池同样是一种低比功率的储能元件，耐大电流充放电能力差。
单独使用电池作为动力电源无法满足电动汽车对电源系统的要求。
从能源的利用形态来看，电能作为能量利用的最终形态，已成为人类物质生产和社会发展不可缺少的“源动力”。
近年来，小型分立的可移动电源的发展更是增加了电能的利用形式和应用范围。
电能除了通过固有的电网系统应用于工业和家庭生活外，通过可移动电源（如铅酸、镍镉、镍氢、锂离子电池）等“承载体”更是成为随时随地均可便捷使用的动力源，极大方便了人们的物质文化生活。
高分子材料在超级电容器中的应用
高分子材料在超级电容器中的应用随着科技的快速发展，能源储存技术成为了关注的热点。
然而，传统的储能设备，如镍氢电池、锂离子电池等，虽然能储存大量的能量，但是存在着能量密度低、充电速度慢、寿命短等缺点。
而超级电容器则因其快速充放电、长实用寿命、高功率密度等特性，成为了未来储能技术的发展方向之一。
超级电容器是一种能量储存设备，其不同于传统电池，能够在短时间内快速地完成充放电过程。
超级电容器能提供高电流、高功率的输出，使其广泛应用于汽车、电动工具、照明设备、通讯系统等领域。
超级电容器的储能原理主要是通过静电吸附和电化学双重储存机制实现的。
静电吸附是指离子在电极表面的吸附，电化学储存是指在电极表面发生的氧化还原反应。
而超级电容器的性能则主要与其电极材料有关，其中，高分子材料作为一种新型电极材料，因其可用性高、成本低、自重轻等优点，成为超级电容器电极材料的候选之一。
下面就让我们来探讨一下高分子材料在超级电容器中的应用。
高分子材料在电极材料中的应用高分子材料主要有两种形态：一种是固态高分子电解质，另一种是高分子电极材料。
高分子电极材料，是以导电聚合物为基础，通过掺杂、降解、配合等方式来实现的。
与其他电极材料相比，高分子电极材料的优点在于具有较好的化学稳定性、机械韧性、高比容量机会往高分子材料中添加导电聚合物，使其成为一种高电容、高能量的电子材料，其在超级电容器中的应用不断得到扩展。
高分子材料缔造的“聚合储能器”随着新能源汽车的迅速发展，越来越多的厂商开始将超级电容器作为汽车动力电池组的组成部分。
在超级电容器中，高分子材料成为研究热点。
比如，美国的一家企业——Maxwell Technologies，研发出新一代的超级电容器，采用了原本用于笔记本电脑电池的半导体隔膜和新的高分子电极材料，使得容量和输出功率增加了50%。
这种超级电容器的储能功率可以快速的释放，是传统电池的100倍以上，充电时间只需数分钟。
同时，国内交通执法规定的限制却是十分棘手的。
锂离子混合超级电容器电极材料研究进展
子电池功率密度高的优点. 因此, 锂离子混合超级电 容器有望应用于电动汽车、电气设备军事和航空航天 设施等高能量大功率型的电子产品领域.
图 1 不同化学储能体系比较[2]
引用格式: 郑宗敏, 张鹏, 阎兴斌. 锂离子混合超级电容器电极材料研究进展. 科学通报, 2013, 58: 3115–3123
(1) 电解液消耗机制. 该体系一般以锂脱嵌化 合物或金属氧化物作为负极, 电容活性材料(一般为 活性炭)作为正极. 同超级电容器双电层机理类似, 在充电过程中, 电解液中的阴阳离子会在电场的作 用下分别向正负极移动, 不同的是在该体系中仅在 正极产生双电层, 而负极发生锂离子的嵌入或还原 反应. 内部反应机理如图 2 所示: 充电时, 电解质中 的阴离子向正极(如活性炭)迁移并产生吸附电容, 同 时 Li+向负极(如钛酸锂、石墨等)迁移并发生嵌入反 应; 放电时, 负极材料中的 Li+脱出回到电解液中, 同时正极也释放吸附的阴离子, 达到电解液电荷的 平衡. 属于电解液消耗机制的典型混合电容器体系 有钛酸锂/活性炭体系、石墨/活性炭体系等.
2 锂离子混合超级电容器
锂离子混合超级电容器的电极材料既包含具有 电荷吸附活性的高比表面积的电容活性材料, 又包 含可与锂离子发生可逆脱嵌或氧化还原反应的电池 材料. 其能量存储过程既包含锂离子与电极材料体 相发生的可逆法拉第化学反应, 又包括电化学活性 材料对离子的可逆吸脱附过程. 锂离子混合超级电 容器的能量特性取决于电容活性材料对电荷吸脱附 行为, 功率特性取决于 Li+在电池材料体相中的扩散 动力学. 与锂离子电池相比, 电容活性材料的使用一 方面会降低体系的比能量密度, 但另一方面使锂离 子混合超级电容器实现快速充放电, 因而具有更高 的比功率密度. 与法拉第准超级电容器相比, 锂离子 混合超级电容器中锂离子与电池材料体相发生的法 拉第氧化还原反应较慢, 会使其功率密度稍有降低,
一、项目名称
一、项目名称项目名称：高比能系列超级电容器关键技术及应用二、提名单位意见该项目引进了物理与化学协同储能效应的混合型电容器新体系，实现了“内并型”和“内串型”超级电容的研制，攻克了“双功能”电极材料及物理储能材料产业化制备技术，创新了制造工艺，实现系列化高比能超级电容器的产业化制造，并开发了超级电容器均衡管理策略，提升了系统运行的安全性与可靠性。
项目组获授权中国发明专利29件、国外发明专利3件、软件著作权1件，制定国家标准1项，出版专著1部、发表论文20余篇，构建了具有完整自主知识产权的超级电容器技术体系，培养了一批掌握关键技术的工程技术人才与优秀青年工作者。
项目相关产品已销售至广州、深圳、武汉、宁波等多个地区，并成功出口至马其顿、奥地利、马来西亚等国家，同时在公共运输、港口机械、军工国防等领域得到应用,创造了可观的经济效益，并在节能减排、雾霾治理方面做出积极贡献，打破了发达国家对超级电容器制备的技术垄断，极大促进了行业技术进步和产业结构优化升级。
推荐该项目为国家科学技术进步奖二等奖。
三、项目简介传统“受电式”有轨电车、大功率高速动车组和“燃油式”公交车，能耗高、污染大，迫切需要向“纯电动”、“储能式”、“节能式”方向转变。
超级电容器具有高安全性、长循环寿命、低温性能好、超高功率密度、环境友好等优势，是实现储能式、节能式公共交通车辆改革的重要候选技术。
由于传统储能体系、储能材料、制造技术、系统设计的限制，超级电容器无法作为储能式公共交通车辆主动力源使用，影响高速动车组稳定安全运行，限制了储能及节能的效果和国防安全。
因此，开发高比能、高功率超级电容器对保障高速动车组运行、公共交通车辆核心储能与节能技术和武器装备的突破性变革等意义重大。
针对关键共性问题，项目组突破国际技术垄断，构建了新型储能体系，创新开发了具有电池与电容性质的“双功能”储能材料，研发了新工艺，研制了新型储能及节能系统，实现了针对不同应用的系列新技术，拓展了新应用与新市场。
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中科院兰州化物所科技成果——可耐超低温的高比
能超级电容器体系的应用研发
成果介绍
超级电容器是一种新型储能器件，属于标准的全系列低碳经济核心产品，其最大的优点是具有优良的脉冲充放电性能和快速充放电性能。
它的功率密度远高于锂电池，同时具有循环寿命长、工作温度范围宽、安全、无污染等特性，已成为本世纪最具发展前景的绿色电源。
然而，相比于锂离子电池等，超级电容器的能量密度还是比较低的（＜7Wh/kg），有待于行一步提高。
另外市售超级电容器最低使用下限温度最低仅-40℃，且低温性能差（随着使用温度的降低，电容器的比容量和能量密度逐步衰减）。
因此本项目针对超级电容器能量密度低和低温性能差的问题，提出了“高比容量多孔纳米炭”和“离子液体+有机溶剂+可耐超低温的有机共溶剂”电解液体系的最佳组配方案，解决了电极材料制备、电解液组配和电容器器件组装工艺控制问题；最终获得了能量密度大、功率密度高、可耐超低温、且循环寿命长的超级电容器体系的关键技术。
研究发现，该系列电容器可耐最低-90℃的超低温，且随着测试温度的降低，电容器的电压窗口逐渐增大，能量密度逐渐升高，-50℃时的能量密度最高。
目前该项目处于样品小批量制备阶段，并准备作为新能源汽车制动能量回收系统中储能装置的进行应用示范。
技术指标
常温用超级电容器样件：单体电压窗口≥3.5V；能量密度≥
20Wh/kg；功率密度≥10kW/kg；循环寿命大于5万次；低温（-50℃）用超级电容器样件：单体电压窗口≥3.5V；能量密度≥15Wh/kg；功率密度≥7kW/kg；循环寿命大于2万次。
成熟程度研制
应用范围能源环保、新材料
合作方式技术开发。