碳基超级电容器综述
超级电容器综述
超级电容器综述超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是一种新型储能器件，它利用电极/电解质交界面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化还原反应来储存能量。
超级电容器采用活性碳材料制作成多孔碳电极，同时在相对的多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别*正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别*到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层。
由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积），而且电解质与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度），所以这种双电层结构的超级电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。
目前国际上研究与发展的超级电容器可归为以下几类：●双层电容器（Double layer capacitor）由高表面碳电极在水溶液电解质（如硫酸等）或有机电解质溶液中形成的双电层电容，如图6-12.1所示。
该图还表示出一个典型双电层的形成原理，显然双电层是在电极材料（包括其空隙中）与电解质交界面两侧形成的，双电层电容量的大小取决于双电层上分离电荷的数量，因此电极材料和电解质对电容量的影响最大。
一般都采用多孔高表面积碳作为双层电容器电极材料，其比表面积可达1000－3000m2/g，比电容可达280F/g。
●赝电容器（Pseudo－capacitor）由电极表面上或者体相中的二维或准二维空间上发生活性材料的欠电位沉积，形成高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应产生和电极充电电位有关的电容，又称法拉第准电容；典型的赝电容器是由金属氧化物，如氧化钌构成的，其比电容高达760F/g。
但由于氧化钌太贵，现已开始采用氧化钴、氧化镍和二氧化锰来取代；●混合电容器（Hybrid capacitor）由半个形成双层电容的碳电极与半个导电聚合物或其他无机化合物的表面反应或电极嵌入反应电极等构成。
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。
超级电容器研究综述
一、超级电容器的发展与进步（一）概述在古代，人们发现了与琥珀及橡皮相摩擦，引起表面贮存电荷的可能性。
然而这一效应的缘由直到18世纪中叶方被人们理解。
140年后，人们开始对电有了分子原子级的了解。
早期的有关莱顿瓶的发现和研究，开启了电容器的序幕。
之后，电容器不断的发展起来，现如今，其发展起来的电化学超级电容器，已经应用于国防设备、电力设备、通讯设备、铁路设施、电子产品、汽车工业等方方面面，成为当代社会不可缺少的一部分。
电能能够以两种截然不同的方式存贮：一种间接方式是作为潜在可用的化学能，存贮在电池里。
另一种直接的方式，则是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能。
超级电容器在存贮电荷时有着两种原理，一种是通过双电层原理，以非法第模式来存贮电能；而另一种则是法拉第模式，通过发生氧化还原反应来产生赝电容。
目前双电层型超级电容器一般采用碳材料做电极，通过碳材料的大的比表面积来增加双电层的面积，而赝电容型超级电容器一般采用氧化物或聚合物的材料来做为电极。
同时，二者在制作超级电容器的时候也可以并用，从而使得超级电容器也可以划分为对称超级电容器和非对称超级电容器，对称即指电容器的两极的材料相同，非对称则不同。
在电解质方面，超级电容器绝大多数均采用液体电解质，如水及其它有机溶剂。
超级电容器的电化学性能分析有很多方法，但通常都包括以下四种图：循环伏安曲线，恒流充放电曲线，交流阻抗谱，循环稳定性曲线。
通过这四种图可以比较明确地判断出一个超级电容器的电化学性能的好坏，具体判断方法之后会详细说明。
超级电容器有着非常高的功率密度，但是其能量密度却比较低，它有着极好的循环充放电稳定性但是电压窗口却比较窄。
但是人们也在对其进行着不断的研究来改善超级电容器的这些弊端。
（二）超级电容器的原理超级电容器又称为电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件，它的出现填补了Ragone 图中传统电容器的高比功率和电池的高比能量之间的空白。
超级电容器综述
超级电容器综述超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor),又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能。
它是一种电化学元件,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。
超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,实际上形成两个容性存储层,被分离开的正离子在负极板附近,负离子在正极板附近。
超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。
众所周知,插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷,从而使相间产生电位差。
那么,如果在电解液中同时插入两个电极,并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压,这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动,并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层,即双电层,它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容效应,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。
双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大,因此,可在无负载电阻情况下直接充电,如果出现过电压充电的情况,双电层电容器将会开路而不致损坏器件,这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。
同时,双电层电容器与可充电电池相比,可进行不限流充电,且充电次数可达10^6次以上,因此双电层电容不但具有电容的特性,同时也具有电池特性,是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。
由于石油资源日趋短缺,并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重(尤其是在大、中城市),人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。
碳基电容电池缺陷-概述说明以及解释
碳基电容电池缺陷-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述碳基电容电池作为一种新兴的电池技术，具有非常广阔的应用前景。
它以碳材料作为正负极材料，利用碳材料的高导电性和高比表面积特性，实现了高能量密度和快速充放电的能力。
令人兴奋的是，碳基电容电池还具有长循环寿命、低自放电率以及良好的安全性能等优点，这使得它成为了可替代传统锂离子电池的一种有力候选。
本文将首先对碳基电容电池的定义和原理进行详细介绍。
随后，将重点探讨碳基电容电池的优点和应用，包括其在电动车、智能穿戴设备、储能系统等领域的具体应用案例。
然而，碳基电容电池在广泛应用的过程中仍然存在一些缺陷，这些缺陷对其进一步发展和应用造成了一定的限制。
针对碳基电容电池的缺陷，本文将详细分析它们对电池性能和应用的影响，并提出相应的解决方法。
这些缺陷包括电容量较低、能量密度有限、成本较高以及循环寿命存在一定的限制等。
通过深入研究和改进，我们相信这些问题可以得到有效地解决，从而推动碳基电容电池的进一步发展和应用。
最后，本文将展望碳基电容电池未来的发展前景。
我们相信，随着科学技术的进步和对清洁能源需求的不断增长，碳基电容电池将会在能源领域扮演更加重要的角色。
同时，我们也将对本文所述内容进行总结，并提出一些相关的结论。
我们希望本文能够为读者对于碳基电容电池的理解和应用提供一定的参考和帮助。
1.2文章结构1.2 文章结构本文分为引言、正文和结论三个部分。
其中，引言部分包括概述、文章结构和目的三个内容。
正文部分主要包括碳基电容电池的定义和原理、碳基电容电池的优点和应用，以及碳基电容电池存在的缺陷。
结论部分包括对碳基电容电池缺陷的影响和解决方法，对碳基电容电池未来发展的展望，以及对全文进行总结。
通过以上结构，本文将全面探讨碳基电容电池的缺陷问题，从理论和应用的角度进行分析和讨论。
首先，引言部分将给出对碳基电容电池的概述，明确本文的研究方向和意义。
其次，正文部分将从定义和原理出发，介绍碳基电容电池的基本原理，并探讨其在各个领域的优点和应用。
碳基材料在电容器领域的应用
碳基材料在电容器领域的应用近年来，碳基材料在电容器领域引起了人们的广泛关注。
碳基材料作为一种新型材料，具有良好的导电性、导热性和稳定性等特点，在电容器应用领域有着广泛的应用前景。
本文将对碳基材料在电容器领域的应用进行深入探讨。
一、碳基材料的种类碳基材料是一类以碳为主要成分的材料。
根据其结构和制备方法的不同，碳基材料可以分为多种类型，如石墨烯、碳纳米管、炭黑等。
这些材料在电容器领域的应用也各有优劣。
1. 石墨烯石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维晶体材料，具有超高的电导率和导热率，以及高的比表面积和强的机械性能。
这些特性使其成为超级电容器中的理想电极材料。
由于石墨烯的制备工艺比较复杂，其大规模应用仍面临许多技术瓶颈。
但是，石墨烯在电容器领域的潜力已经被广泛认可，未来有望保持高速发展。
2. 碳纳米管碳纳米管是一种由碳原子组成的形态呈现为纳米尺寸管状结构的新型材料，具有优异的电性能、机械性能和化学稳定性，能够广泛用于电容器领域。
碳纳米管电容器具有高比能量和高功率密度，还能承受较高的电流密度和频率，适用于电能储存和供应等领域。
3. 炭黑炭黑是一种无定型碳黑色材料，具有高比表面积、良好的电化学性能和理想的导电性能。
炭黑被广泛应用于可重构电容器和超级电容器等领域，已经成为电容器中广泛使用的电极材料之一。
二、碳基材料在电容器中的应用碳基材料具有良好的导电性、导热性和稳定性等特点，在电容器应用领域有着广泛的应用前景。
1. 超级电容器超级电容器是一种高性能的电容器，它利用电极材料的高比表面积和离子可逆嵌入/脱嵌的能力，实现了高能量密度和高功率密度的电位变换。
碳基材料是超级电容器中常用的电极材料。
石墨烯、碳纳米管和炭黑等碳基材料作为高性能电极材料在超级电容器领域有着广泛的应用。
这些材料的高比表面积和理想的电导率使得电容器具有超高的能量存储密度和能量输出密度。
2. 可重构电容器可重构电容器是利用材料电学参数的可逆性，在电场作用下产生电荷存储和释放的电容器。
基于碳材料的超级电容器的发展与应用
基于碳材料的超级电容器的发展与应用随着科技的不断进步和发展，人类对于能源的需求也越来越大。
同时，随着环保意识的普及，人类也开始逐渐关注清洁能源的开发和利用。
在这种背景下，超级电容器作为一种新型的能量存储装置，受到了越来越多的关注。
基于碳材料的超级电容器，具有高能量密度、高功率密度、长寿命、低耗能等优点，在电动汽车、可再生能源等领域得到了广泛的应用和研究。
一、碳材料的应用在超级电容器的制备中，碳材料是最常用的材料之一。
随着技术的不断进步，碳材料的种类和性能不断得到提高和改善，如石墨烯、碳纳米管、多孔碳材料等。
其中，石墨烯是一种由碳原子组成的二维蜂巢状晶体结构材料。
它具有高强度、高导电性、高热导性等优良性能，在超级电容器中的应用前景广阔。
石墨烯材料的制备和加工技术也在不断发展和完善，可以满足不同领域的需求。
碳纳米管是一种具有纳米级直径、高比表面积、高强度等性质的碳材料。
由于其优异的力学性能和电学性能，碳纳米管被广泛用于超级电容器、储能材料等领域。
多孔碳材料是一种具有多孔结构的碳材料，经过特殊的处理工艺，可以使其具有高比电容、高导电性、快速充放电等性能，成为超级电容器的重要材料之一。
二、基于碳材料的超级电容器在电动汽车领域中的应用随着电动汽车领域的不断发展和普及，超级电容器作为一种储能装置受到了越来越多的关注和应用。
与传统的铅酸蓄电池、锂离子电池相比，超级电容器具有充电速度快、循环寿命长、更加环保等优点。
基于碳材料的超级电容器在电动汽车领域的应用主要体现在以下几个方面：1.启动辅助电池：在车辆启动时，利用超级电容器提供高电流的短时输出，增强启动能力。
2.制动能量回收：在制动时，将制动能量储存在超级电容器中，减少能源浪费和对环境的污染。
3.加速辅助：在汽车加速时，利用超级电容器输出高功率电能，增加动力输出，提高汽车的加速性能。
三、基于碳材料的超级电容器在可再生能源领域中的应用可再生能源是指太阳能、风能、水能等能够不断补充的、使用后不会消失的能源形式。
超级电容器综述_刘小军
A bstract : Super- capac itor , the function o f wh ich ranges betw een that o f comm on capac itor and chem ica l batteries, is a brand- new energy storage device . It features such superior quali ties as large discharge pow er , large capacitance of farad grade , higher energy, w ider operating tem perature range , longer service life , exempt io n from m a in tenance , econom y, and env iron m enta l protection . T h is paper g iv es an introductio n to the status quo of super- capacitor s de velopm en t , its pr in cip le , app lication , and characteristics . It a lso d iscusses the current research on super- capacitors e lectrode m ateria ls . K ey words : super- capacitor ; princip le of developm en; t rev iew o f application 超级电容器是一种介于普通电容器和化学电池之间的储能器件 , 兼具两者的优点, 如功率密度高、 能量密度高、 循环寿命长、 可快速充放电, 并具有瞬时大电流放电和对环境无污染等特性. 它涉及材料、 能源、 化学、 电子器件等多个学科, 成为交叉学科研究的热点之一. 作为一种绿色环保、 性能优异的新型 储能器件, 超级电容器在众多的领域有广泛的应用 , 包括国防、 军工 , 以及电动汽车、 电脑、 移动通信等民 用领域 , 因而受到了世界各国, 尤其是发达国家的高度重视. 近几年来, 我国科研人员和国家相关部门也 对此极度关注.
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A review of CNT and graphene in energy harvesting and storage applications——supercapacitors
汇报人：lcm
超级电容器概述
碳材料：
活性炭
双电层电石墨烯
rGO&MnO2&PPy
ACS Nano, 2015, 9 (5), pp 4766–4775
From Industrially Weavable and Knittable Highly Conductive Yarns to Large Wearable Energy Storage Textiles
Figure 2. SEM images
Adv. Mater. 2016, 28, 8431–8438 Large-Area Supercapacitor Textiles with Novel Hierarchical Conducting Structures
Paper-like Supercapacitors
Adv. Mater. 2016, 28, 8431–8438 Large-Area Supercapacitor Textiles with Novel Hierarchical Conducting Structures
Paper-like Supercapacitors
Figure 4. The electrochemical performance of the supercapacitor textiles with increasing sizes Adv. Mater. 2016, 28, 8431–8438 Large-Area Supercapacitor Textiles with Novel Hierarchical Conducting Structures
Adv. Mater. 2014, 26, 8126–8132
Fiber-like flexible Supercapactiors
Figure 3. Electrochemical characterization of the electrochromic fiber-shaped supercapacitor.
Adv. Mater. 2014, 26, 8126–8132 Electrochromic Fiber-Shaped Supercapacitors
Paper-like Supercapacitors
Figure 1. Schematic illustration to the experimental procedures and structures of the large-area supercapacitor textile
发展趋势——复合电容
• 碳材料与导电聚合物复合
• 通过聚合物链的共轭π键的氧化还原反应储存和释放电荷。循环充放电过程 中由于离子的嵌入和脱出导致聚合物体积不断变化，由于膨胀、收缩导致 电极退化，采用CNT或石墨烯做弹性体或表面增强，可延长电极寿命。
• 碳材料与金属氧化物复合
• 金属氧化物具有较高的理论电容，是双电层电容的1000多倍，但金属氧化 物一般导电性较差，限制了其应用，与碳材料复合，一方面可增强导电性 ，一方面可以增加比表面积，同时合适的组合还能拓展电压窗口。
>10000 cycles
Science 335, 1326 (2012)
Sci China Mater 2016,59(6):475-494
CNTs & graphene in Supercapacitors
Fiber-like flexible Supercapactiors
Specific capacitance:255.5F/g(0.1890mF/cm) Energy density:12.75W h/kg Power density: 1494W/kg
Interdigited structure Supercapacitors
Figure 2. The electrochemical performance of mSCs.
Adv. Mater. 2014, 26, 5108–5112 Selective Wetting-Induced Micro-Electrode Patterning for Flexible Micro-Supercapacitors
Figure 3. Supercapacitor textiles based on the different electrode materials but with the same area of 16 cm 2 at a current of 8 mA (0.5 mA cm −2 ).
SEM images of a PANI/polyester textile electrode without RGO at low and high magnifications, respectively
rGO&MnO2&PPy
ACS Nano, 2015, 9 (5), pp 4766–4775
rGO&MnO2&PPy
ACS Nano, 2015, 9 (5), pp 4766–4775
Thank you !
2017.05.10
混 合
学
型
电
电
容 器
过渡族金属氧化物：
容
RuOx/Co3O4
器
赝电容
MnOx/NiOx/FeOx 导电聚合物：
PPy/PEDOT/PANI
Capacitors & Supercapacitors & Batteries
高能量密度
高响应速率
快速充/放电能力
较短的载流子迁移路径
循环寿命长
Interdigited structure Supercapacitors
Figure 1. Schematic illustration for the fabrication of mSCs and images of mSCs. Adv. Mater. 2014, 26, 5108–5112 Selective Wetting-Induced Micro-Electrode Patterning for Flexible Micro-Supercapacitors