超级电容器电极材料的研究参考完成-PPT课件
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超级电容器电极材料的制备及性能研究
超级电容器电极材料的制备及性能研究超级电容器是一种新型电化学储能装置，具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命等优势，被广泛应用于储能系统、电动汽车、智能电网等领域。
而电极材料是超级电容器组成的重要部分，其制备和性能研究对超级电容器的性能有着重要影响。
超级电容器电极材料主要可分为活性材料和导电助剂两类。
活性材料是负责吸附和释放电荷，其优选因素包括高比表面积、优良的电导率、良好的电容和电子传输性能等。
常用的活性材料有活性炭、金属氧化物、导电高分子等。
导电助剂用于提高活性材料的电子传输性能和循环稳定性，常用的导电助剂有碳纳米管、石墨烯等。
制备超级电容器电极材料的方法主要包括物理法、化学法和电化学法等。
物理法主要是通过物理处理，如磨粉、高温处理等，来改善材料的结构和性能。
化学法主要是通过化学反应来合成所需的电极材料，如溶剂热法、溶胶-凝胶法等。
电化学法主要是通过电化学沉积、电沉积等方法来制备电极材料。
超级电容器电极材料的性能主要包括比表面积、电导率、循环寿命、透气性和损耗等指标。
比表面积是评价电极材料储电性能的重要指标，常用的测试手段包括比表面积仪和气体吸附法。
电导率是评价电极材料导电性能的指标，主要通过四探针电阻仪和电化学阻抗谱等测试方法进行测量。
循环寿命是评价电极材料循环稳定性的重要指标，常用的测试方法包括循环伏安法和恒电流充放电法。
透气性是评价电极材料透气性能的指标，通常通过气体透过性测试来进行评价。
损耗是评价电极材料耗能性能的指标，主要通过交流阻抗测试来进行评价。
综上所述，超级电容器电极材料的制备和性能研究对超级电容器的性能具有重要意义，通过合理设计和制备电极材料，可以提高超级电容器的储电性能、循环稳定性和耗能性能。
在今后的研究中，需要进一步探索新型电极材料的制备方法和性能研究手段，以进一步提高超级电容器的性能。
石墨烯基超级电容器电极材料PPT课件
96%
➢ 高电导率(2.35×103 S m-1) ➢ 大比表面积(1500 m2 g-1)和相互交叉的电极结构有助于缩短电解
液中离子的扩散迁移路径
EI-Kady, MF et al. Nat. Commun. 2013, 4, 1475 第11页/共28页
石墨烯在双电层电容器中的应用
自组装法制备平面超级电容器
J. Xu et al. ACS Nano, 2010, 4, 5019
第20页/共28页
石墨烯在不对称电容器中的应用
石墨烯在不对称超级电容器中的应用
正极 • 石墨烯-金属
氧化物 • 石墨烯-导电
聚合物
负极 • 石墨烯 • 石墨烯-CNT • 石墨烯-AC • ……
• …… Graphene/CNT/PANI
10. H. Wang et al. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 , 7472 11. Z. S. Wu et al. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3595 12. J. Xu et al. ACS Nano, 2010, 4, 5019 13. K.S. Novoselov et al. Science, 2004, 306, 666
PANI在GO表面 异相成核
第19页/共28页
PANI在体相内 均相成核
石墨烯在法拉第赝电容器中的应用
氧化石墨烯-聚苯胺纳米线阵列
555 F g-1
PANI-GO PANI 92%
➢ 石墨烯表面的有序且较小直径的PANI纳米线可改善离子传 输，提高PANI的利用率
➢ 石墨烯承担部分PANI氧化还原时的机械变形 ➢ 竖直的PANI纳米线阵列可以灵活的应对应力变化
超级电容器电极材料的研究参考完成-PPT课件
参考资料
1. 张宝宏、张娜，纳米MnO2超级电容器的研究，物理化学学报， 2019.19期 2. 程杰、李晓忠、曹高萍、沈涛、杨欲生，活性炭-烧结复合镍钴超级电 容器，电池，2019.13期 3. 陈新丽、李伟善，超级电容器电极材料的研究现状与发展，广东化工 ，2019.7期 4. 摆玉龙，超级电容器电极材料的研究进展，新疆化工，2019.3期 5. 张治安、杨邦朝、邓梅根、胡永达，超级电容器氧化锰电极材料的研 究进展，无机材料学报，2019.3期 6. 王兴磊、欧阳艳等，四氧化三钴超级电容器电极材料的制备与研究， 无机盐工业，2009.9 7. 庞旭、马正青、左列，Sn掺杂二氧化锰超级电容器电极材料，物理化 学学报，2009.25期 8. 张伟、刘开宇等，MnO2超级电容器充放电过程研究，化学通报， 2019.3期
超级电容器电极材料的研究
汇报内容
1 研究背景及意义 超级电容器的原理
2 3
超级电容器的应用
4 超级电容器电极材料及研究现状
5 6 电极材料的改进 总结
1.研究背景与意义
随着社会的发展，人们对能源的需求在不断增长，但是传 统的能源不可再生，环境的污染，持续升级的石油能源危 机使人们迫切需要一种清洁的、可再生的能源。近年来超 级电容器的相关研究和进展则顺应了人们对新介于普通电容器和二次电池之间新型无 维护储能元件，比功率是电池的10倍以上，储存电荷能力 普通电容器高，具有工作温度范围广、可快速充放电且循 环寿命长、无污染排放等优点，因此它的用途非常广泛。 • 超级电容器电极材料有碳材料、金属氧化物材料如氧化锰 电极，还有金属复合材料。不同的电极材料和不同的制备 方法得到不同性能的电极材料，因此可以通过在电极材料 里面掺杂其他元素同时改进电极材料的导电性来提高电极 材料的比电容和储能能力。
超级电容器的研究PPT课件
2、孔径分布
孔径越大，电化学吸附速度越快，即使在比表面 积和总电容量相对低的情况下也可在大电流下传 递更多的能量。
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。
3) 液体电解质超级电容器 4) 固体电解质超级电容器
超级电容器的研究
三、碳材料超级电容器的性能特点
1、活性炭（AC）电极材料 性能特点：表面积较高，孔径可调，可批量 生产，价格低廉。
碳纤维
超级电容器的研究
2、碳气凝胶电极材料 优点：比表面积高，密度变化范围广，结构 可调。
制备方法如上图所示
超级电容器的研究
超级电容器的研究
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。
超级电容器的研究
(2) 导电聚合物材料
聚苯胺(PANI)、聚 吡(PPy)和聚噻吩
超级电容器的研究
超级电容器的研究
缺点：
如果使用不当会造成电解质泄漏等现象； 和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于 交流电路。
超级电容器的研究
二、超级电容器的分类
1. 按原理分：双电层型超级电容和赝电容 型超级电容器。
1) 双电层型超级电容器
包括：活性炭（粉、纤维）电极材料、碳气凝胶电极 材料、碳纳米管电极材料、石墨烯电极材料超级电 容器。
3、碳纳米管(CNT)电极材料：单壁纳米管和多 壁 纳米管
孔径越大，电化学吸附速度越快，即使在比表面 积和总电容量相对低的情况下也可在大电流下传 递更多的能量。
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。
3) 液体电解质超级电容器 4) 固体电解质超级电容器
超级电容器的研究
三、碳材料超级电容器的性能特点
1、活性炭（AC）电极材料 性能特点：表面积较高，孔径可调，可批量 生产，价格低廉。
碳纤维
超级电容器的研究
2、碳气凝胶电极材料 优点：比表面积高，密度变化范围广，结构 可调。
制备方法如上图所示
超级电容器的研究
超级电容器的研究
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。
超级电容器的研究
(2) 导电聚合物材料
聚苯胺(PANI)、聚 吡(PPy)和聚噻吩
超级电容器的研究
超级电容器的研究
缺点：
如果使用不当会造成电解质泄漏等现象； 和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于 交流电路。
超级电容器的研究
二、超级电容器的分类
1. 按原理分：双电层型超级电容和赝电容 型超级电容器。
1) 双电层型超级电容器
包括：活性炭（粉、纤维）电极材料、碳气凝胶电极 材料、碳纳米管电极材料、石墨烯电极材料超级电 容器。
3、碳纳米管(CNT)电极材料：单壁纳米管和多 壁 纳米管
用于超级电容器的二氧化锰电极材料的制备及电化学特性研究 ppt课件
泡沫镍
铂电极
设备
银丝 中速滤纸
甘汞电极 无水硫酸钠
电化学工作站 电子天平 电热恒温鼓风干燥箱 磁力搅拌器 粉末压片机
水热法制备纳米MnO2
• KMnO4 0.237 g， MnSO4·H2O为0.381g
• 溶解于30 ml的超纯水中 室温下中速搅拌1h
•一边快速搅拌 KMnO4溶液，一 边向其中缓缓倒入 MnSO4溶液 •继续搅拌1h使反应 充分进行 •之后将悬浮液转入 100mI的水热反应 釜聚四氟乙烯里衬 中；140℃下恒温 热处理4h后取出;
用于超级电容器的二氧化锰电极材料的制备及电化 学特性研究
用于超级电容器的二氧化锰电极材料的 制备及电化学特性研究
CONTENTS
01 Part One 二氧化锰电极工作原理 02 Part Two 二氧化锰电极的制备方法 03 Part Three 电化学性能测试 04 Part Four 参考文献
•使用超纯水和酒精对反 应釜中样品进行抽滤， 直至滤液中无SO42-为 止； •80℃下干燥12小时， 得到干燥的褐色粉末， 使用玛瑙研钵进行研磨 1h制得纳米MnO2粉末
电极的制备方法
MnO2粉末、乙炔黑和 聚四氟乙烯(PTFE)= 70: 20:10，倒入玛瑙 研钵中，加入适量超纯 水之后研磨1h以上，直 至得到混合浆状物质
2. Wu N L. Nanocrystalline oxide supercapacitors. Materiat Chemistry and Physics,2002,75(1):6-11 3. Wang Y GSZhang X G. Preparation and electrochemical capacitance of RuO2/TiO2 nanotubes
超级电容器课件PPT
1.贵金属RuO2电容性能的研究 （1）使用硫酸作为电解液， 容量高，功率大，成本高。
（2）热分解氧化法比容量为 380F/g，溶胶凝胶法为768F/g。
2.添加W、Gr、Mo、V、Ti等的 氧化物 （1）降低成本
（2）复合后性能提高
➢WO3/RuO2比容量高达560F/g ➢Ru1-xGrxO2比容量高达840F/g
片层的双电层作用的发挥
4
4-2 超级电容器的电解液
有机系超级电容器和水系超级电容器的特性对比
16
4
结构
4
超 级 电 容 器 结 构
超级电容器的结构
电极
电解液 隔膜
电极材料 导电剂 粘结剂 集流体
无机电解液 有机电解液 离子电解液
18
4
超级电容器的结构
超级电容器的结构示意图
集
流 体
隔 膜
电极材料
电解液
19
4
超级电容器的结构
超级电容器的电极材料
电极材料
实例
双电层电容器
炭材料
活性炭 碳纳米管 碳气凝胶 石墨烯
缺 点
(1) 一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量一般较低； (2) 高自放电率，大大高于电化学电池； (3) 非常低的内部电阻允许极快速放电时，容易导致隔膜破裂从而
发生短路。
9
3
3-2 法拉第赝电容器
法拉第赝电容
法拉第赝电容器也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的 二维或三维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆 的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这 种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征， 故称为“准电容”，是作为双电层型电容器的一种补充形式。
超级电容器知识总结-刘永环PPT课件
生产大、中型， C/有机电解液 /C 单体电容器：电压：2.3V、2.7V
电容：3F~5000F 产品特点: 电极工艺采用活性炭涂布法 。 综合性能最好。 中型：比能量：4.1 wh/kg, 比功率10.1kw/kg； 大型：比能量 4.4wh/kg, 比功率5.2kw/kg 主要用途: 汽车音响—改善音质；
19
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
2021
20
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
用途：储能使用 领域：电动汽车和混合电动汽车做动力源
太阳能储能方面
军事领域
2021
33
大 型 超 级 电 容 器 组 用途：储能使用
领域：电动汽车和混合电动汽车做动力源
太阳能储能方面
军事领域
2021
34
超级电容器主要生产公司及其产品
国外主要生产厂家：
德国—— EPCOS AG 韩国—— Ness cap 美国—— Maxwell, Elna , Cooper Industries 俄罗斯—— ESMA, ACOND 日本—— Nippon chemi-Con, NEC-Tokin,
2021
29
导电聚合物
❖ 研究情况： 聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、
聚乙炔、聚亚胺酯 ❖ 性能特点：
➢ 可快速充放电、温度范围宽、不污染环境 ； ➢ 稳定性、循环性问题。
超级电容器电极材料制备与性能研究
超级电容器电极材料制备与性能研究超级电容器是一种新型的储能装置，潜力巨大。
由于它的高功率密度、长寿命、快充快放等特点，在新能源、制动能量回收、能量储存等领域得到了广泛的应用。
超级电容器的核心是电极材料，因此电极材料制备与性能研究是超级电容器技术研究的关键。
超级电容器的电极材料主要包括活性材料、电导添加剂、导电子材料等，其中活性材料是超级电容器电极材料的核心。
活性材料对于超级电容器的性能和成本起着至关重要的作用，因此其制备技术和性能研究成为超级电容器技术研究的重点。
活性材料是超级电容器电极材料中的核心，是储存电荷的重要成分。
目前常见的超级电容器电极材料主要有金属氧化物、碳材料、聚合物等，但是这些材料都存在着不同程度的缺点。
金属氧化物具有较高的比容量、较高的功率密度和较长的寿命，但在循环稳定性和低温性能方面表现不佳；碳材料的比电容相对较低，但是具有较优良的低温和循环稳定性；聚合物材料在高频领域具有卓越的性能，但是比容量较小。
因此，在活性材料的研究和制备方面，面临着如何综合优化电容量、功率密度、循环稳定性、低温性能等不同需求的问题。
金属氧化物在超级电容器电极材料中应用广泛，但存在不同程度的问题。
钛酸锂材料的比容量较高，但由于其电导率较低，使用较少。
氧化铅材料的比容量小，但可在循环稳定性和低温性能方面表现突出。
氧化锰材料在较宽温度范围内表现出较好的性能，但在一些高功率应用场合下，其容量衰减快的问题较为突出。
碳材料是一种理想的超级电容器电极材料，因其良好的电化学性能、高倍率性能、循环稳定性和低温性能等优良特性被广泛研究。
碳材料主要包括活性炭、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。
活性炭是一种开孔材料，具有极高的比表面积，能够提供大量的储电空间。
碳纤维和碳纳米管具有较好的导电性质和高倍率性能，可以提供快速的电荷转移和释放。
石墨烯作为一种新型的二维材料，具有高导电性、高比表面积和理想的电化学反应界面，被视为超级电容器电极材料的理想选择。
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4.超级电容器电极材料及研究现状
• （二）、氧化锰电极 • 氧化锰电极材料分为两类：氧化锰粉末电极和氧化锰薄膜 电极。 • 氧化锰粉末电极制备过程
•
氧化锰电极材料的制备方法： 液相沉淀法 Sol-Gel法 低温固相反应法 热分解法
4.超级电容器电极材料及研究现状
• （三）、薄膜电极 • 薄膜电极是指采取一定的方法在基片上直接沉积氧化锰， 或在基片上先沉积锰盐或纯锰，然后通过热分解或者氧化 方法生成氧化锰电极。制备过程不加入粘结剂和导电材料 ，因此该方法制备的电极一般都有比较薄，使得电解液与 氧化锰材料的接触机会增多，电解质的利用率较高，因此 制备的电极比容量相对比较高。 • 制备方法： 电化学法 Sol-Gel法 真空蒸发法
超级电容器电极材料的研究
汇报内容
1 研究背景及意义 超级电容器的原理
2 3
超级电容器的应用
4 超级电容器电极材料及研究现状
5 6 电极材料的改进 总结
1.研究背景与意义
随着社会的发展，人们对能源的需求在不断增长，但是传 统的能源不可再生，环境的污染，持续升级的石油能源危 机使人们迫切需要一种清洁的、可再生的能源。近年来超 级电容器的相关研究和进展则顺应了人们对新型能源的需 求。
4、电极材料的改进
• （二）导电性的改进 • 超级电容器的电极材料应具有高比电容量，较小的电阻等 性能，以提高其功率输出的需要。 • 传统的物理方法制备的电极材料由于电极材料与集流体之 间的接触面积不足，使其电极活性物质领用率不高。 • 采用高比表面积炭黑直接加到制备电极材料的溶液中，制 备电极材料，减少电极的接触电阻，提高电极的动力学可 逆性，同时提高活性物质的利用率，增加电极的比电容。
超级电容器是一种介于普通电容器和二次电池之间的新型 储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、 节约能源和绿色环保等特点。
2.超级电容器的原理
• 根据储能机理的不同，超级电容 器可以分为双电层电容器和赝电 容电容器。双电层电容器是利用 电极和电解质之间形成的界面双 电层电容来存储能量，其电极通 常采用具有高比表面积的多孔炭 材料；而赝电容，是指在电极表 面或体相中的二维或准二维空间 上，电活性物质进行欠电位沉积， 使其发生快速、可逆的化学吸附 /脱氧吸附/还原反应，从而产生 比双电层电容更高的比电容。 • 超级电容器分为：电极、电解质、 集流体和隔离物四大部分。
4.超级电容器电极材料及研究现状
• （一）、氧化锰电极材料 氧化锰资源广泛，价格低廉，具有多种氧化价态，而且对 环境无污染，在电池电极材料和氧化材料上已经广泛地得 到应用。现在用于超级电容器的氧化锰电极材料研究已经 取得了很大的进展。高比表面二氧化锰是一种价格低廉且 性能良好的新型电极材料。分别用溶胶凝胶法和电化学沉 积法来制备二氧化锰，通过比较发现，用溶胶凝胶法制备 的二氧化锰的比电容量比用沉积法制备的二氧化锰高出 1/3。达到698F/g，且循环1500次后，容量衰减不到10%。
3.超级电容器的应用
• 超级电容器用途非常广泛。可用于通讯科技、信息技术、 家用电器等各领域，如它可用作起重装置的电力平衡电源， 可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和 可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的 蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传 统的内燃机、改造现有的无轨电车。此外还可用于其他机 电设备的储能能源。
5、电极材料的改进
• （一）掺杂 • 对电极材料进行其他物质的参杂，不仅能提高电极的比热 容，而且能提高电极的功率特性. • 例如：参杂二氧化锰比未参杂的更有利于提高二氧化锰电 极的放电性能和循环性。这是因为参杂使二氧化锰的氧化 还原反应基本保持在生成可逆产物范围内而生成不可逆产 物相对减少，从而保证其循环性。
超级电容器结构示意图
3.超级电容器的应用
1. 超级电容器的特点： 超级电容器的研制成功是储能设备（蓄电池）的一次革命： 其他储能设备，都是由电能转变成化学能，再由化学能转 变成电能，两次转变能量有损失，超级电容器直接电， 再直接放电，能量形式没有转变，能量也没有损失；充放 电效率高达98％，经济价值大。 超级电容器比功率大，其特性是：充电时，充电量大，充 电量快；放电时，放电量大，放电量快。在电动车辆运行 时，起步快，加速快，爬坡有力，比铅酸电池大30多倍， 这是电动车能用得上最重要的性能。
3.超级电容器的应用
2.超级电容器在电动大客车的应用
4.超级电容器电极材料及研究现状
• 超级电容器电极材料主要是金属氧化物和导电聚合物。金 属氧化物基电容器目前研究最为成功的主要是氧化钉/硫 酸水溶液体系。但是，氧化钉价格昂贵，不易实现商业化 ，而且其相应的电解质对环境不友好，对集流体的要求较 高，从而限制了它的应用。现在研究比较多的主要是对氧 化镍、氧化钴和氧化锰等的研究上。其中氧化镍和氧化钴 的比容量可达200~300F/g，但是他们的电位窗口相对较窄 ，能量密度较低。因此，氧化锰是另一种受到重视的过渡 金属氧化物电极材料。
4.超级电容器电极材料及研究现状
• （四）、金属复合材料 • 金属复合电极材料目前研究的重点是找出合适的金属或氧 化物来替代钌，减少钌用量，降低成本，并提高电极材料 的比电容。如以比电容达250F/g的活性炭作为负极， 0.31mm厚的超薄型烧结复合镍钴电极材料作为正极，组 装了活性炭-烧结复合镍钴超级电容器，它的最大比能量 可达16Wh/kg，最大比功率达10KW/kg。
总结
• 超级电容器是一种介于普通电容器和二次电池之间新型无 维护储能元件，比功率是电池的10倍以上，储存电荷能力 普通电容器高，具有工作温度范围广、可快速充放电且循 环寿命长、无污染排放等优点，因此它的用途非常广泛。 • 超级电容器电极材料有碳材料、金属氧化物材料如氧化锰 电极，还有金属复合材料。不同的电极材料和不同的制备 方法得到不同性能的电极材料，因此可以通过在电极材料 里面掺杂其他元素同时改进电极材料的导电性来提高电极 材料的比电容和储能能力。