超级电容器简介
超级电容器
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。
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。
超级电容器的研究
3、表面官能团
主要通过两种途径： 1）改变表面的润湿性能 2）官能团自身发生可逆的氧化还原反应 从制备高容量、耐高压、稳定性好的电容器角度 出发 , 要求活性炭材料表面的官能团有一个合适 的比例。
4、微晶结构
对超级电容器来说,中孔比例大一些比较好 中孔碳材料的方法主要有三种: 1）催化活化法 2）混合聚合物炭化法 3）模板炭化法
3、发展趋势：
• 提高性能、降低成本是超级电容器发展的主旋律。 • 从超级电容器的发展历史来看，电容器虽然能够 提供高功率，但电容器不能像电池一样提供高的 重量能量比，期望将来超级电容器能够代替电池 作为储能元件，兼具高能量和高功率的性能。 • 超级电容器是绿色环保、能源开发的重要方向之 一，它的研发必将带动整个电子产业及相关行业 的发展，目前国内超级电容器的开发生产刚刚起 步，具有广阔的发展空间。
双电层原理示意图
2. 性能特点
—介于电池和物理电容器之间
性 能 铅酸电池 1-5小时 超级电容器 0.3-若干秒 普通电容器 10-3—10-6秒
充电时间
放电时间
比能Wh/kg 循环寿命 比功率W/kg 充放电效率
0.3-3小时
30- 40 300 < 300 0.7-0.85
0.3-若干秒
1- 20 >10000 >1000 0.85-0.98
2) 赝电容型超级电容器
(1) 金属氧化物材料 • 贵金属氧化物材料 —RuO2：无定型RuO2拥有更高 的电导率，更高的比电容，更高的电化学可逆性。 • 替代RuO2的廉价金属氧化物材料—MnO2和NiO。
(2) 导电聚合物材料 聚苯胺(PANI)、聚吡 (PPy)和聚噻吩(PTh) 他们的一些相关衍生 物。 优点： 价格低廉、对环境友 好、高导电率、高度 可逆以及活性可控。
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。
超级电容器简介课件
THANKS
主要应用领域市场现状与趋势
总结词
电动汽车和可再生能源领域是超级电容器的最主要应用领域，未来市场份额将进一步扩 大。
详细描述
电动汽车和可再生能源领域是超级电容器最主要的应用领域。在电动汽车领域，超级电 容器可以提供快速充电和大功率放电，提高车辆的加速和爬坡性能。在可再生能源领域 ，超级电容器可以用于储存和释放能量，提高能源利用效率。未来，随着电动汽车和可
能量密度与功率密度
能量密度高
超级电容器具有较高的能量密度，能 够存储较多的电能，使得其在混合动 力汽车、电动车等领域具有广泛应用 。
功率密度高
超级电容器具有极高的功率密度，可 以在短时间内释放大量电能，适用于 需要瞬时大功率输出的场合。
循环寿命与稳定性
长寿命
超级电容器经过多次充放电循环后，性能衰减较小，循环寿命长，可达数十万 次以上。
再生能源市场的不断扩大，超级电容器的市场份额也将进一步增加。
市场竞争格局与挑战
总结词
超级电容器市场竞争激烈，企业需要不 断创新以保持竞争优势。
VS
详细描述
目前，全球超级电容器市场已经形成了较 为稳定的竞争格局，但随着新技术的不断 涌现和市场的不断扩大，竞争也日趋激烈 。企业需要不断加大研发投入，提高产品 性能和降低成本，以应对市场竞争的挑战 。同时，企业还需要加强与上下游企业的 合作，共同推动超级电容器市场的快速发 展。
响应速度
超级电感的响应速度较快， 能够快速提供和回收能量， 而超级电容器的响应速度相 对较慢。
储能密度
超级电容器的储能密度较高 ，能够存储更多的能量，而 超级电感的储能密度相对较 低。
应用范围
超级电感适用于高频、大电 流的应用场景，而超级电容 器适用于需要快速充放电和 长循环寿命的应用场景。
超级电容器基础知识
超级电容器分类（结构）
平板型
在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极， 另外也有另外也有Econd公司产品为典型代 表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容 器，可以达到300V以上的工作电压。
卷绕型
采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制 得到，这类电容器通常具有更大的电容量 和更高的功率密度。
流为100A，200F以下的为3A）和规定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量 的KHz）下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流ESR小，随温度上升而减小。
DC-ESR 在实际情况中，由于电容器存在一定的内阻，充放电转换的瞬间会有一个 电位的突变我们可以利用这一突变计算电极或者电容器的等效串联电阻。
锂离子超级电容器
Li4Ti5O12/AC 不对称电容器体系的概念首度由美国的 Telcordia公司提出。这一混合体系采用以活负极，电解液为商用的锂离子二 次电池电解液（锂盐），能量密度可达每公斤数十瓦（接近铅 酸蓄电池的能量密度水平）。其工作原理如图所示，充电过程 中，正极吸附电解液阴离子，负极则发生锂离子材料的嵌入反 应，放电时则相反。
t
U U0e RC
超级电容器的性能参数—漏电流
图中，EPR为等效并联电阻，代表超 级电容器的漏电流，影响长期储能性 能，EPR通常很大，可以达到几十kΩ， 所以漏电流很小。 2~4μA/F
漏电流和自放电在本质上无差别，机理也基本相同。究其根本在于电 极、电解液或其他与电芯有关的构成部分含有的微量杂质（未除干净的 H2O、气体，材料的纯度等）。
由于超级电容漏电流比较小，所以只要在充电时恒压保持足够长的 时间，那么能量就能储存很长时间，这一点是很有意义的。
当温度升高时，离子的热振动加强，漏电流也会加剧。
超级电容器介绍
超级电容器介绍第一篇：超级电容器介绍超级电容器/法拉电容介绍五超级电容器类型简介超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。
按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：双电层型超级电容器，包括1.活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。
2.碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。
3.碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。
4.碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。
以上电极材料可以制成：1.平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。
2.绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。
赝电容型超级电容器：包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。
这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。
按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型：水性电解质，包括以下几类1.酸性电解质，多采用36％的H2SO4水溶液作为电解质。
2.碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。
3.中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。
有机电解质通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。
超级电容器简介
已研制的电容炭材料 活性炭（粉、纤维、布） ——应用最多的电极材料
纳米碳管
碳气凝胶 活化玻态炭
纳米孔玻态炭
活性炭
优势： （1）成本较低； （2）比表面积高；
（3）实用性强； （4）生产制备工艺成熟； （5）高比容量，最高达到500F/g，一般200F/g。 性能影响因素： （1）炭化、活化条件，高温处理； （2）孔分布情况； （3）表面官能团 （4）杂质。 研究趋势： 材料复合、降低成本
二、超级电容器的基本分类
超级电容储能机制可分为：
双电层电容--电极表面与电解液间双电层储能。
准电容--电极表面快速的氧化-还原反应储能。
相应的两类电极根据电极材料—-—组成三种电容器 双电层电容器 （碳材料超级电容器）正、负极——多孔炭 准电容器 混合材料电容器 正、负极——金属化合物、石墨、 导电聚合物。 电压、能量密度高
4.
以减轻重量为中心的结构设计
活性玻态炭
纳米孔玻态炭
多孔碳层 厚15~20 um 整体多孔，比能量提高 多孔碳层的电导率高， 快速升温炭化，成本大降 多孔碳层比功率18kW/L 但电容器的比能量很低（0.07Wh/L）
纳米孔玻态炭与碳气凝胶性能比较
项目
比表面积m2/g 电导率S/cm 电极密度g/cm3 最佳比容量F/g 制备条件
双电层电容器的储能机理本质上与静电容器一致,其依靠材料表面电子和溶液中等量 离子在电极材料/电解液界面的分离储存电量。通常电极材料采用高比表面积炭材料, 具有较高的比表面积(高达2000 m2 /g),远大于电解电容器电极的比表面积,
双电层电极、溶液界面结构示意图
Struture diagram of the interface between electrode and electrolyte
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3．非常短的充电时间，在0.1-30s即可完成。
4．解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾， 将它与蓄电池组合起来，就会成为一个兼有高比功率输出的贮 能系统。
5．贮能寿命极长，其贮存寿命几乎可以是无限的。
6．高可靠性。
四、超级电容器技术及电极材料的进展
电压、能量密度高
按照电解液分,分为水溶液电解液超级电容器和有机电解液超级电容器。
根据结构分为对称型电容器(SymmetricCapacitor)和混合型超级电容器(Hybrid Capacitor)。
三、超级电容器的性能特点——介于电池与物理电容器
之间
优点
1. 高功率密度，输出功率密度高达数KW/kg，一般蓄电池的 数十倍。
氧化还原赝电容即法拉第赝电容是指活性电极材料发生氧化还原反应表现出 来的电容特性,主要包括过渡金属氧化物和导电聚合物。
双电层电容器存储的电荷与它的电容和电压相关 Q=CV，电容和电压是独 立的，但取决于电极的表面积，双电层的厚度和电解液的介质常数。根据 双电层电容器所需设备的性能或是使用的电解液选择电极材料。活性炭是 双电层电容器传统的电极材料
双电层原理示意图
充电时,外电源使电容器正负极分别带正电和负电,而电解液中的正负离子分别移动到电 极表面附近,形成双电层,整个双电层电容器实际上是两个单双电层电容器的串联装置。
双电层电容器充电状态电位分布曲线
Profile of the potential across electrochemical double layer capacitor in the charged condition
双电层电容器的储能机理本质上与静电容器一致,其依靠材料表面电子和溶液中等量 离子在电极材料/电解液界面的分离储存电量。通常电极材料采用高比表面积炭材料, 具有较高的比表面积(高达2000 m2 /g),远大于电解电容器电极的比表面积,
双电层电极、溶液界面结构示意图
Struture diagram of the interface between electrode and electrolyte
双电层电容器放电状态电位分布曲线
Prifile of the potential across an electrochemical double-layer capacitor in the discharged condition
法拉第准(赝)电容原理则是利用在电极表面及其附近发生在一定电位范围 内发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应来实现能量存储。这种 法拉第反应与二次电池的氧化还原反应不同。
超级电容器简介
一、超级电容器的基本原理
超级电容器 Supercapacitor
是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速 充放电的特点，又具有电池的储能特性。
超级电容（supercapacitor），又叫双电层电容(Electrical Doule-Layer ）、即通 过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面 形成双电层，从而实现储能。其储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程 完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。
根据存储电荷的机理,超级电容器分为双电层电容器(Electrical Double LayerCapacitor, EDLC)和准电容器(Pseudocapacitor赝电容器)。双电层电容器利用 电极材料和电解质界面形成的电荷分离存储电荷,而赝电容器是利用电化学活性 物质的二维或准二维空间发生的吸脱附或电化学氧化还原反应来存储电荷,从而, 赝电容可以分为吸附赝电容和氧化还原赝电容(Faradic supercapacitor)。
二、超级电容器的基本分类
超级电容储能机制可分为：
➢ 双电层电容--电极表面与电解液间双电层储能。
➢ 准电容--电极表面快速的氧化-还原反应储能。
相应的两类电极根据电极材料—-—组成三种电容器
双电层电容器 （碳材料超级电容器）正、负极——多孔炭
准电容器
正、负极——金属化合物、石墨、 导电聚合物。
混合材料电容器
1、多孔电容炭材料——超级电容器的核心
此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是原电池,如: （1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线性关系; （2）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K,则产生的电流为恒定或几 乎恒定的容性充电电流I=CdV/dt=CK。
•此时系统的充放电过程是动力学高度可逆的,与原电池及蓄电池不同,但与静 电电容类似。为与双电层电容及电极与电解液界面形成的真正的静电电容相 区别，称这样得到的电容为法拉第准(赝)电容。
法拉第赝电容来源于电极-电解液界面快速可逆的氧化还原反应一方面要 求法拉第反应有足够的活性位点；另一方面要求有足够多的电解质离子和 电子参与法拉第反应。对于第一方面的要求，具有高比表面积的赝电容电 极材料通过尺寸纳米化或材料从而使电解质离子能够扩散和 接触更多的电化学位点。法拉第赝电容电极材料主要包括过渡金属氧化物 和导电聚合物
•法拉第准(赝)电容不仅只在电极表面,而且可在整个电极内部产生,因而可获得 比双电层电容更高的电容量和能量密度。在相同电极面积的情况下,法拉第准 (赝)电容可以是双电层电容量的10～100倍。
赝电容根据电极反应的不同,分为吸附电容和氧化还原赝电容 吸附赝电容是指电化学活性物质在基底电极上发生二维/准二维的电化学吸 脱附,表现出电容性质。如H+在Pt电极表面的吸脱附反应
超级电超级电容器的大容量和高功率充放电就是由这两种原理产生的。 充电时,依靠这两种原理储存电荷,实现能量的积累;放电时, 实现能量的 释放。
因此,制备高性能的超级电容器有2个途径:一是增大电极材料比表面 积,从而增大双电层电容量;二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率, 从而提高准电容容量。但实际上对一种电极材料而言,这2种储能机理往往 同时存在,只不过是以何者为主而已