混合型超级电容器的研究进展
混合型超级电容器的相关理论和实验研究共3篇
混合型超级电容器的相关理论和实验研究共3篇混合型超级电容器的相关理论和实验研究1混合型超级电容器的相关理论和实验研究超级电容器是一种具有高能量密度和高电功率密度的电化学储能器件，其可充放电次数高、循环寿命长，具有良好的适应性和可靠性等优点，是一种高性能的储能器件。
混合型超级电容器是将电化学双层电容和伪电容两种不同的储能机制相结合而成的一种新型超级电容器，具有高能量密度和高输出功率密度的特点，成为近年来研究的热点之一。
混合型超级电容器的工作原理是将电解质溶液浸泡在电极材料表面，电极电荷和电解质之间存在电荷分离作用，形成双层电容贡献和伪电容贡献两个分量。
其中双层电容是由电极上的电荷分布在电解质界面上产生的电势差形成的，其储能量与电极表面积成正比。
而伪电容则是由氧化还原反应在电解质溶液中带来的电荷转移产生的，其储能量与反应物的浓度和电极材料的表面积成正比。
混合型超级电容器的电极材料主要有活性炭、金属氧化物、导电聚合物等。
活性炭是一种具有优异的比表面积和孔隙结构的材料，能够利用其丰富的孔隙结构提高电极表面积和储能效率。
金属氧化物如纳米二氧化钛、二氧化铪等具有高比表面积和优异的导电性能，且具有氧化还原反应的催化作用，能够提高伪电容的储能量。
导电聚合物如聚噻吩、聚苯胺等具有优异的传导性能和电化学稳定性，能够提高电极材料的可操作性和稳定性。
混合型超级电容器的电解质溶液主要有有机电解液和无机电解液两种类型。
有机电解液是由有机溶剂和电解质盐组成的溶液，具有高电导率、低结晶性和良好的界面活性等优点，且能够为电极提供更大的电位窗口和较高的伪电容储能贡献。
无机电解液则是由无机化合物和水组成的溶液，具有良好的电化学稳定性和较高的导电性能，但存在结晶和水解等问题。
实验研究表明，混合型超级电容器具有高能量密度、高输出功率密度、快速充放电、长循环寿命等优异性能。
在混合型超级电容器的研究中，需要解决的问题包括：提高电极材料的比表面积、优化电解质溶液的成分、提高电极与电解质的亲和性等。
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。
混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用研究
混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用研究近年来，智能家居系统的兴起为人们的生活带来了诸多便利和舒适。
然而，随着智能家居系统的不断普及和发展，其能耗问题逐渐凸显，因此如何在智能家居系统中实现节能成为了亟待解决的问题。
混合型超级电容器作为一种高性能的储能设备，具有能量密度高、寿命长、充放电速度快等优点，广泛应用于能源领域。
本文将探讨混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用研究。
首先，混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用主要表现在以下几个方面。
第一，储能与供能平衡。
智能家居系统中的各种设备和传感器都需要不断地供电，传统的电池供电方式存在能量密度低、寿命短的问题，而混合型超级电容器则能够有效地提供持续稳定的能量。
通过将混合型超级电容器作为主要的储能设备，可以实现储存电能和供应电能之间的平衡，从而提高智能家居系统的能效。
第二，能量回收与利用。
在智能家居系统中，许多设备和传感器的能量消耗都相对较小，但是传统的供电方式往往需要较高的电压来保证设备和传感器的正常运行，造成了能量的浪费。
而混合型超级电容器能够高效地回收并利用这些较小的能量。
通过将混合型超级电容器与能量回收设备相结合，可以将不同设备和传感器产生的能量捕获并储存起来，然后再供给其他需要能量的设备，从而实现能量的高效利用。
第三，功率平衡和调节。
智能家居系统中的各种设备和传感器的功率需求经常发生变化，传统的供电方式往往无法满足这种需求。
而混合型超级电容器具有快速响应和高功率输出的特点，能够实现对功率的平衡和调节。
通过将混合型超级电容器作为功率储备设备，可以满足智能家居系统中设备和传感器功率需求的变化，并确保系统的稳定运行。
其次，在实际应用中，混合型超级电容器在智能家居系统中的节能应用面临一些挑战。
首先，混合型超级电容器的成本较高。
与传统的电池相比，混合型超级电容器的制造成本较高，这限制了其在智能家居系统中的大规模应用。
因此，降低混合型超级电容器的制造成本，提高其性价比，是实现混合型超级电容器在智能家居系统中节能应用的关键。
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。
混合型超级电容器在微型风力发电系统中的应用及性能评估
混合型超级电容器在微型风力发电系统中的应用及性能评估引言：近年来，清洁能源的需求日益增加，其中微型风力发电系统作为一种可持续发展的能源解决方案，备受关注。
然而，微型风力发电系统的可靠性和能量存储问题一直存在挑战。
混合型超级电容器作为一种高能量密度、长寿命和高效能量储存装置，吸引了越来越多研究者将其应用于微型风力发电系统。
本文将探讨混合型超级电容器在微型风力发电系统中的应用，并对其性能进行评估。
1. 混合型超级电容器的基本原理和结构混合型超级电容器是一种新兴的能量储存装置，结合了电化学电容器和双层电容器的优点。
它基于电化学原理，通过离子在电解质中的吸附和脱附来存储电荷。
其基本结构包括两个电极和电解质，电极通常由活性材料和电解质隔膜构成。
2. 混合型超级电容器在微型风力发电系统中的应用2.1 微型风力发电系统的能量存储需求微型风力发电系统的输出能量存在不稳定性和间断性。
在风力资源充足时，产生的电能可能超过需求，而在风力较弱或无风时则无法提供足够的电能。
因此，能量储存系统成为微型风力发电系统中的必不可少的组成部分。
2.2 混合型超级电容器的应用优势混合型超级电容器具有高能量密度、长寿命、低内阻和快速充放电等优点，使其成为理想的能量储存解决方案。
与传统的蓄电池相比，混合型超级电容器具有更高的充放电效率和更短的充电时间，能够更好地适应微型风力发电系统的短周期充放电需求。
3. 混合型超级电容器在微型风力发电系统中的性能评估3.1 能量存储与释放效率混合型超级电容器的能量存储与释放效率是评估其性能的重要指标之一。
通过实验测试，可以得出混合型超级电容器的充电和放电效率，并与其他能量储存装置进行比较。
3.2 循环寿命和稳定性循环寿命是混合型超级电容器能否长期稳定工作的重要因素。
通过模拟实际使用情况，进行多次充放电循环测试，以评估混合型超级电容器的寿命和稳定性。
3.3 能量密度和容量混合型超级电容器的能量密度和容量是决定其是否适用于微型风力发电系统的关键指标。
混合型超级电容器在电动自行车中的电池寿命优化设计
混合型超级电容器在电动自行车中的电池寿命优化设计随着现代社会对环境保护的迫切需求以及对新能源交通工具的需求增加，电动自行车作为一种环保、方便、经济的交通工具逐渐成为人们的首选。
然而，电动自行车在使用过程中面临的一个关键问题是电池寿命的限制。
混合型超级电容器作为一种新型高性能电池，在电动自行车中的电池寿命优化设计中发挥着重要的作用。
混合型超级电容器是一种结合了电化学电容器和电化学电池特性的设备，具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命等优势。
在电动自行车中，混合型超级电容器可以作为一个辅助电源，为电动自行车电池提供快速充放电的能力，从而减轻电池的负荷，延长电池的寿命。
首先，混合型超级电容器可以通过快速的充放电特性为电动自行车提供瞬时的高电流输出。
在电动自行车的启动过程中，需要较大的电流来提供足够的动力，而传统电池往往无法满足这个需求。
采用混合型超级电容器作为辅助电源，可以在电动自行车启动瞬间释放较大电流，提供所需的动力，从而减少电池在启动过程中的负担，延长电池的使用寿命。
其次，混合型超级电容器具有快速的充电特性。
在电动自行车的充电过程中，传统电池需要较长的时间才能将电能充满。
而使用混合型超级电容器作为辅助电源，充电过程可以更加迅速，缩短充电时间。
这样可以减少电动自行车充电过程中对电池的消耗，延长电池的使用寿命。
另外，混合型超级电容器具有较长的循环寿命。
传统电池在长时间使用过程中，由于内部化学反应的变化以及充放电过程中的损耗，往往会出现容量下降的问题，导致电池的使用寿命缩短。
而混合型超级电容器由于其特殊的结构和材料组成，可以实现较长的循环寿命，减少电池性能的衰减，延长电池的使用寿命。
除了上述的优势，混合型超级电容器还具有较高的功率密度和能量密度。
这意味着混合型超级电容器可以在相对较小的体积和重量下提供更多的功率和能量。
对于电动自行车这样对空间和重量要求较高的交通工具来说，使用混合型超级电容器可以在保证动力和续航能力的同时减少重量和体积的负担，提高车辆的性能和便携性。
混合离子超级电容器前沿研究进展-吴喜兵
质量比能量密度 质量功率密度
在 电 化 学 站 （ VMP3 ， Bio-Logic ， France ） 上 进 行 所 制备样品的循环伏安法（CV），恒电流放电（GD）， 恒电流充电/放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）。 根据下面的等式从CV或GCD曲线计算质量比电容（C m），质量比能量密度（Em）和质量功率密度（P m），其中i是施加的电流，v是扫描率，△t是放电 时间，△U是工作电压窗口，m是活性材料的质量。
电容值时不考虑。对于大多数报道的结果，当质量负荷 达到几毫克时，C m值可以达到100-200Fg-1随着扫描速 率的增加，C m值相应地减小，但在50mV s -1的扫描速率 下仍然表现出145 F g -1的值。当扫描速率增加50倍时， 获得约71.8％的电容保持率，这证实了rGO / MnO x复合 电极的优异的速率性能。
为了进一步研究电化学性能rGO / MnO x电极，GCD 性能也进行了评估，如图所示，电流密度范围为2Ag -1至 20A g -1在图4c中。在电流密度为2Ag -1时，根据方程（2） 计算出的C m为164 F g -1，在电流密度为10 A g时，它可 以保持在约140 F g -1的值。通过在12Ag -1的电流密度下 重复充电/放电测试来研究该电极的循环性能，如图4d所 示。值得注意的是，在282小时的连续充电/放电时间之
根据基于方 程 （1）的CV测 试计算的印刷的 rGO / MnO x电极的C m值作为扫描速率的函数，如图4b所示。 在1mV s -1的扫描速率下，电极的最大C m值为202 F g -1， 质量负荷为2 mg cm -2。虽然在大多数情况下，当电极材
料的质量负载非常低并且需要在高比表面积集电器上覆 盖材料时，可以获得高C m值（B1100 F g？1）， 在计算
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展
第 23 卷
researches focus on the various hybrid capacitor systems consisting of negative activated carbon electrode and positive aqueous Lithium-ion battery materials electrode ，such as LiMn 2 O 4 ，LiCoO 2 ，LiTi 2 （ PO 4 ） 3 and LiCo 1 / 3 Ni 1 / 3 Mn 1 / 3 O 2 . These hybrid supercapacitors are improved in energy density and also with the working voltage increased ， comparing with the traditional activated carbon / activated carbon electrochemical double-layer capacitor. In the paper ，the research situation and development tend of several kinds of hybrid systems and the currently studied relative materials are also introduced. Key words activated carbon ； capacitor ； hybrid supercapacitor ； energy density ； power density 储能 ） 、 功 率 补 偿 等 领 域， 其市场规模正在快速 扩大 。
cycling life and high power density ， but with low energy density. In order to improve the energy density of supercapacitor ，the most promising approaches are either to use an electrode material with large specific capacitance or increase its working voltage by utilizing a hybrid supercapacitor system which consist an activated carbon electrode and a battery elelctrode material （ pseudo-capacitor material ） . The present paper introduces the development of the hybrid supercapacitor and the recent research on the electrode materials for hybrid supercapacitor. Many studies have been undertaken for the various hybrid supercapacitor systems to obtain higher energy density ，coupling redox-active material electrodes with activated carbon electrode ，such as activated carbon / NiOOH （ FeOOH ） ，activated carbon / graphite ，activated carbon / metal oxides and activated carbon / polymer hybrid supercapacitors. Recently ，Li-ion intercalated compounds Li 4 Ti 5 O 12 and lithium-ion battery carbon materials are attracting much attention as positive electrode with a negative activated carbon electrode. At the same time ，many
收稿： 2010 年 9 月，收修改稿： 2010 年 10 月 * 国 家 自 然 科 学 基 金 委 杰 出 青 年 基 金 和 重 点 项 目 （ No. 20925312 ， 20633040 ） ， 国 家 科 技 部 973 计 划 项 目 （ No. 2007CB209703 ） ， 上海市科委优秀学科带头人计划（ No. 09XD1400300 ） 资助 Corresponding author e-mail ： yyxia@ fudan. edu. cn
1
引言
超级电容器的发展始 于 20 世 纪 60 年 代， 在 20
双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质 之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子 元件 。 是以双电 层 -双 电 层 （ electric double layer ） 为 主要机制， 即在充电时， 正极和负极的炭材料表面分 电荷保持在炭电极材料与 别吸附相反电荷的 离 子， 液体电解质的界面双电层中 。 这种电容器的储能是 并没 通过使电解质溶液 进 行 电 化 学 极 化 来 实 现 的， 这 种 储 能 过 程 是 可 逆 的。双 电 有产生电化学反 应， 层电容器 主 要 是 由 具 有 高 比 表 面 积 的 电 极 材 料 组 成， 目前主要研究开 发 了 采 用 碳 电 极 的 电 化 学 双 电 层电容器 。 该碳电极主要是由高比表面积的活性炭 以硫酸或 到 导 电 型 的 固 体 电 解 质 作 为 电 颗粒制得， 解液， 在其使用电位范围内， 充电时可得到很大的界 面双电层电容 。 2. 1. 2 法拉第准电容器
表1 电容器与电池的性能比较 Properties of capacitor and battery
energy density （ Wh / kg ） capacitor supercapacitor battery < 0. 2 0. 2 —20 20 —200 power density （ W / kg ） 10 4 —10 6 10 —10 < 500
第 23 卷 第 2 /3 期 2011 年 3 月
化
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PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol. 23 No. 2 /3 Mar. ，2011
混合型超级电容器的研究进展
刘晶 夏永姚
*
（ 复旦大学化学系 上海市分子催化与先进材料重点实验室 新能源研究院 摘 要
上海 200433 ）
Research Progress of Hybrid Supercapacitor
Liu Haijing Xia Yongyao
（ Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials ，Institute of New Energy ， Department of Chemistry ，Fudan University ，Shanghai 200433 ，China ） Abstract Compared with conventional secondary batteries ，electrochemical supercapacitors exhibit the long
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Contents
1 2 2. 1 2. 2 3 3. 1 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 3. 6 3. 7 4 Introduction Synopsis of electrochemical supercapacitor Principle and classification of supercapacitor Characteristics of supercapacitor Researches and progress of hybrid supercapacitor Activated carbon / NiOOH （ FeOOH ） hybrid supercapacitor Li 4 Ti 5 O 12 / activated carbon hybrid supercapacitor Activated carbon / graphite hybrid supercapacitor Lithium-ion battery carbon materials / activated carbon hybrid supercapacitor Aqueous lithium-ion battery materials / activated carbon hybrid supercapacitor Activated carbon / metal oxides hybrid supercapacitor Activated carbon / polymer hybrid supercapacitor Conclusions and outlook
与传统的二次电池相比 ， 超级电容器具有长寿命 、 高功率 密 度 的 特 点 ， 但 是 能 量 密 度 较 低。本
文主要介绍了混合超级电容器的发展状况以及电极材料的最新研究进展 。 目前有许多研究工作者都致力于 改善超级电容器体系的能量密度 ， 一个有效的途径是提高电容器电极材料的比电容 ， 另一个途径则应用不对 称混合型超级电容器体系 ， 即一个电极采用电极活性炭电极 ， 而另一个电极采用赝电容电极材料或电池电极 材料 ， 通过提高电容器的工作电压 ， 从而提高电容器的能量密度 。 针对提高混合型超级电容器能量密度的工 作主要集中 在 采 用 具 有 氧 化 还 原 活 性 的 材 料 与 活 性 炭 组 成 不 对 称 超 级 电 容 器 ， 比 如 ： 活 性 炭 / NiOOH （ FeOOH ） ，活性炭 / 石墨 ，活性炭 / 金属氧化物以及活性炭 / 聚合物等混合超级电容器 。 近年来 ， 锂离子嵌入 化合物以及锂离子电池碳材料作为混合超级电容器的正极材料得到了广泛的 关 注 。 同 时 ， 介绍了针对由水 系锂离子电池电极材料作为正极 ， 活性炭作为负极组成的混合型超级电容器开展的研究工作 ， 其正极材料包 括 LiMn 2 O 4 ，LiCoO 2 ，LiTi 2 （ PO 4 ） 3 以及 LiCo 1 / 3 Ni 1 / 3 Mn 1 / 3 O 2 等 。 以上混合型超级电容器相比于活性炭 / 活性 炭双电层电容器 ， 均在能量密度的提高以及工作电压的提高上得到了较大的进 展 。 最 后 本 文 还 对 近 几 年 比 较热门的几种混合型电化学电容器和相关材料的未来发展趋势作了简单介绍 。 关键词 活性炭 电容器 混合型超级电容器 文献标识码 ： A 能量密度 功率密度 中图分类号 ： O646. 2 ； TM242 281X （ 2011 ） 02 /3059510 文章编号 ： 1005-