超级电容器的研究
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。
超级电容器的制备与电化学性能的研究
实验报告超级电容器的制备与性能研究一、实验目的1、了解超级电容器的原理及应用2、掌握超级电容器的制备方法3、学习应用各种电化学方法研究超级电容器的电化学行为。
二、实验原理1、循环伏安测试对于双电层电容器，可以用平板电容器模型进行理想等效处理，根据平板电容容量计算公式：c=εS4πd（1）由上式可知，超级电容器的电容量与双电层的有效面积（S/m2）成正比，与双电层的厚度（d/m）成反比，对于活性炭电极，双电层有效面积与碳电极的比表面积及电极上的载碳量有关，双电层的厚度是受溶液中的离子的影响，因此，电极制备好以后，电解液确定，容量便基本确定了。
利用公式dQ=i d t和C=Q∕φ可得到：i=dQd t =C dφd t（2）因而，如果在电极上加上一个线性变化的电位信号时，得到的电流响应信号将会是一个不变的量，如果给定的电信号是一个三角波信号，电流信号将会是一个正电流信号或者一个负电流信号。
响应信号如图1（b）所示，响应信号在i-φ图中呈一个矩形。
由（2）式可知。
在扫描速度一定的情况下。
电极上通过的电流（i）是和电极容量（C）成正比关系的，也就是说对于一个给定的电极，通过对这个电极在一定扫描速率下进行循环伏安测试，研究电流变化就可以计算出电极的电容，继而进一步求出比电容：Cm=Cm =im dφd t=im V（3）2、恒电流充放电测试对于超级电容器，根据式（2）可知，采用恒电流进行充放电时，如果电容量C为恒电位，那么dφd t将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系，也就是说理想电容器的恒流充放电曲线是一条直线。
可以利用恒流冲放电曲线来计算电极活性物质的比容量：Cm=i tdmΔV（4）式中，t d是放电时间，ΔV是放电电压降的平均值。
式中的ΔV是可以利用放电曲线进行积分计算而得出：ΔV=1(t1−t2)V d t21(5)实际在计算比容量时，常采用t1和t2时电压的差值作为平均电压降，对于单电极比容量，式（4）中的m为单电极活性物质的质量，若计算的是双电极比容量，m则为两个电极上活性物质的质量总和。
超级电容器材料的研究及应用
超级电容器材料的研究及应用超级电容器是一种利用电场存储电能的能量存储器，其在电化学和电磁学理论上都有一定的发展。
超级电容器具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，在现代航空、汽车、宇航和智能电网等领域有着广泛的应用。
而超级电容器的核心是电极材料，所以先进的电极材料能够带来超级电容器工作性能更好的表现。
一、超级电容器电极材料的研究现状目前，超级电容器电极材料的研究集中在以下领域：（1）金属氧化物材料的研究。
金属氧化物，如钼酸锂、钴酸镍等，具有优异的电极电化学性能，同时元素资源广泛，价格低廉，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究与应用。
（2）碳材料的研究。
碳材料是制备超级电容器电极材料的主要原材料之一，具有良好的导电性和热稳定性。
而以活性炭为代表的多孔碳材料还具有大表面积、高比电容等优良性质，因此在超级电容器电极材料以及电池、传感器等领域应用广泛。
（3）二维材料的研究。
二维材料，如石墨烯和硼氮化物，具有高比表面积、方便处理的优势，已被广泛研究作为超级电容器电极材料。
尤其石墨烯由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性等特性，在超级电容器电极材料研究中被广泛关注。
（4）金属有机骨架材料的研究。
金属有机骨架材料，即MOFs，是由金属离子和有机配体组成的晶态材料，具有极大的内孔体积以及可调控的孔径和结构。
这种新型材料具有极高的表面积和储能密度，是超级电容器电极材料研究的热点之一。
二、超级电容器电极材料的制备方法超级电容器电极材料的制备方法主要分为化学还原法、水热法、煅烧法、氧化还原电位法等。
其中化学法是制备超级电容器电极材料的常规方法，其通过调节反应条件，可控制电化学行为，实现材料的优异电化学性能；而水热合成是在相对低的温度和压力下，通过压剂或表面修饰剂，实现材料形貌和结构的微观调控；氧化还原电位法是通过扫描电位电化学法控制电位，调控材料的化学反应，从而实现精准控制。
三、超级电容器材料的应用超级电容器在现代工业、航空、军事、医学等领域得到了广泛的应用。
超级电容器的制备与性能研究
超级电容器的制备与性能研究超级电容器是一种纳秒级的充放电器，也是一种储能器，其能量密度比一般电容器高出几百倍甚至几千倍，充电速度比锂离子电池高几十倍甚至上百倍。
因此，它在储能和瞬间动力需要较高场合非常有用。
本文将从制备和性能两个方面进行探究。
一、超级电容器制备技术1. 单电极制备法单电极法是超级电容器制备的一种常见方法，其主要制备过程由活性炭处理、碳化处理、传导剂处理等多个步骤组成。
首先，将原材料进行高温炭化，得到活性炭作为载体，并将其表面氧化磨砂处理，提高其比表面积。
随后，将活性炭经过化学气相沉积方法，在表面沉积一层碳化物，进一步提高其比表面积。
最后，在碳化物前后扩散填充了传导剂，形成一整个单电极结构。
这种方法主要的优点是制备工艺简单，成本较低。
2. 双电极制备法在双电极法中，超级电容器是通过制备两个电极以及这两个电极之间的隔离膜（电解质）而成的。
其中，电极可采用双极性活性材料或不同电极性活性材料，隔离膜可以是氧化铝膜、聚合物电解质等。
双电极制备法制备出的超级电容器在能量密度和功率密度方面表现良好，但成本较高。
3. 印刷制备法印刷制备法是将印刷技术应用于超级电容器的制备中，采用类似印刷的方法，可以在二氧化钛等材料表面直接印制石墨电极。
这种方法可以大大降低制备过程中的时间和成本，但其制备出来的电容器容量和性能有一定的限制。
4. 其他制备方法其它制备方法还包括溶液法、微电脉冲法、氧化物电容制备法等。
这些制备方法各有优缺点，可以根据需要选择最适合的制备方法。
二、超级电容器性能研究1. 能量密度超级电容器的能量密度是一个重要的性能指标，它反映了电容器储存能量的能力。
目前，已有许多研究表明，超级电容器能量密度的提升取决于电极材料的选择和设计，而活性炭是一种优良的电极材料，并且通过改变电极的形态和结构等设计方式，也可以有效地提高电容器的能量密度。
2. 寿命由于超级电容器需要频繁使用和充放电，因此其循环寿命也是一个重要的性能指标。
超级电容器的性能分析与应用研究
超级电容器的性能分析与应用研究随着电子产品的飞速发展，各种新型电池被相继推出，它们有着不同的工作原理和应用场景，而其中，超级电容器成为了备受瞩目的一种新型电池。
超级电容器相较与传统电池，有着很多显著的优点，因此也被广泛地应用于各个领域。
下面，本文将对超级电容器的性能进行分析与研究，同时探讨超级电容器的应用前景。
一、超级电容器的基本原理超级电容器也被称为超级电容、电化学电容、超电容等，它是一种新型的储能元件。
超级电容器可以看作是由多个电容器并联组成的，其储存电荷的原理是利用两个带电板之间存在的电场所实现的。
相比于传统的电容器，超级电容器的优势在于有着更高的能量密度和更长的寿命，这也是超级电容器得以广泛应用的重要原因。
二、超级电容器的性能分析1. 高能量密度由于超级电容器具有高能量密度的特性，因此它可以将能量储存到密度更高的状态下，这样也就可以更小的体积储存更多的能量。
应用在手机充电宝等小型便携式电子设备上，可以大大提高其便携性。
2. 快速充放电相较于传统的电池，超级电容器具有更快的充电速度和放电速度。
这意味着，在超级电容器所储存的电能得到释放的时候，可以使得电子设备平滑地运转。
在一些应用场景中，比如说电动汽车、铁路和城市公共交通工具等，在短时间内快速的填充和释放电能就显得尤为重要。
3. 高循环寿命超级电容器具有更高的循环性和使用寿命，这意味着其寿命更加长久，可以减少更多的资源浪费和环境污染。
而相对于传统的电池，在多次充电和放电之后，其电池寿命的问题会更加突出。
三、超级电容器的应用前景超级电容器的出现让人们看到了更广泛的应用前景。
它可以被应用到各个行业和领域，比如医疗、环保、交通、通讯等。
以下是几个典型的应用场景：1. 交通工具从电动自行车、摩托车，到电动汽车、铁路和城市公交车等，超级电容器在各种交通工具中都有广泛的应用。
2. 工业自动化在工业生产和制造中，超级电容器被广泛应用于智能电网、物流运输等领域，可以提高工业生产的自动化程度和节能效果。
双电层超级电容器的能量存储机制研究
双电层超级电容器的能量存储机制研究超级电容器（supercapacitors）是一种新型的能量存储装置，具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快速充放电等优点。
在可再生能源、电动汽车、电子设备等领域中，超级电容器被广泛应用。
其中，双电层超级电容器是一种基于双电层电容效应工作的超级电容器。
双电层超级电容器的能量存储机制与传统电池不同。
传统电池通过化学反应来存储能量，而超级电容器则依赖电荷的吸附和离子在电解质中的迁移来储存能量。
该储能机制使超级电容器具有短充电时间、长循环寿命和高功率输出等优点。
双电层超级电容器的储能机制主要涉及两个电极之间的双电层和电解质。
当电极材料置于电解质中时，电解质中的正负离子会在电极表面形成两层电荷分布，即电极表面附近的阴阳离子分布在电极表面形成两层电层，这就是双电层效应。
双电层相对于纯电解质电池，具有更高的电容、更高的电流和更高的能量密度。
双电层超级电容器的电极材料对其能量存储性能起着关键作用。
一般来说，电极材料应具有高比表面积、优异的电导率和良好的化学稳定性。
常见的电极材料包括活性炭、金属氧化物和导电高分子材料等。
活性炭是一种常用的电极材料，其具有高比表面积、良好的电导率和优异的化学稳定性，但容易发生电极材料局部损坏导致电容减少。
金属氧化物电极材料具有较高的电容和较好的循环稳定性，但比表面积较低。
导电高分子材料是一种新兴的电极材料，它们具有高比表面积、优异的电导率和出色的力学性能，但其循环寿命和电容稳定性仍需进一步提高。
除了电极材料，电解质也是双电层超级电容器能量存储性能的关键因素之一。
电解质的选择应考虑其溶解度、离子迁移率和电化学稳定性。
常用的电解质包括有机电解质和无机电解质。
有机电解质具有高溶解度和优异的电导率，但它们在高温或高电压下容易热分解，导致循环寿命受限。
无机电解质具有更好的电化学稳定性，但溶解度较低且离子迁移速度较慢。
因此，针对具体应用场景的需求，选择合适的电解质对于提高双电层超级电容器的能量存储性能至关重要。
超级电容器的研究进展及其在新能源领域中的应用
超级电容器的研究进展及其在新能源领域中的应用近年来，越来越多的人开始意识到新能源的重要性，而超级电容器作为重要的能源储存设备，备受人们的关注。
本文将介绍超级电容器的研究进展以及其在新能源领域中的应用。
一、超级电容器的研究进展超级电容器是一种能够储存和释放能量的设备，它与传统的电池不同，电容器可以快速充放电且寿命较长。
随着技术的不断改进，超级电容器的性能也得到了很大的提升。
1.1 材料研发超级电容器的性能很大程度上取决于储存介质的材料。
传统电容器使用的是电解质，而超级电容器使用的是活性碳、金属氧化物等材料。
目前，研究人员致力于开发新的储存介质，如金属材料、纳米纤维等，以提高超级电容器的性能。
1.2 结构设计超级电容器的结构设计也是影响其性能的关键因素。
采用不同的结构设计，可以提高电容器的能量密度和功率密度。
当前，研究人员正在探索多种结构设计，如半球形或石墨烯包覆的超级电容器等。
1.3 改进制备工艺超级电容器的制备工艺也是影响其性能的一个关键因素。
目前，研究人员正致力于改进预处理工序、电极浸渍工艺等，以提高超级电容器的性能。
二、超级电容器在新能源领域中的应用超级电容器在新能源领域中有广泛的应用，包括电动车、储能系统等。
2.1 电动车电动车需要一个可靠的能源储存设备。
超级电容器具有快速充放电、寿命长等特点，是一种适合用于电动车的储能设备。
超级电容器还能提高电动车的动力性能和续航里程，因此越来越受到关注。
2.2 储能系统超级电容器在储能系统中也有重要的应用。
在发电系统和能源系统之间，需要一种缓冲机制，可以储存电能并在需要时快速释放。
超级电容器可以很好地满足这个需求。
此外，超级电容器还可以协助防止电力峰值和电压下降等问题，提高能源利用效率。
三、结论超级电容器已经成为新能源领域中的重要组成部分，越来越多的研究人员开始关注其研究和应用。
未来，随着技术的不断提升，超级电容器的性能将会进一步提高，其在新能源领域中的应用将变得更加广泛。
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• 太阳能警示灯，航标 灯等太阳能产品中代 替充电电池。
• 手摇发电手电筒等小 型充电产品中代替充 电电池。
• 电动玩具电动机、语 音IC、LED发光器等 小功率电器的驱动电 源。
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2、发展历史：
• 早在1879年，Helmholz 发现了双层电容性质，提 出了双电层的概念。
超级电容结构如图
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各种超级电容器
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1. 超级电容器的储能机理
1）双电层电容—基于电解液中离子和电极 表面之间的静电吸引而产生的双电层电容， 例如采用碳基材料作为电极材料。 2）法拉第赝电容—基于电极表面的活性物 质发生的快速可逆氧化还原反应或者法拉第 电荷转移反应而产生的法拉第赝电容,例如 采用金属氧化物或者导电聚合物作为电极材 料。
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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。
普通电容器 10-3—10-6秒 10-3—10-6秒
<0.1 >100000 <100000 >0.95
表1 铅酸电池、超级电容器和普通电容器的性能对比
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3. 超级电容器优缺点
优点：
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； 极长的充放电循环寿命：循环寿命可达万次以上； 非常短的充放电时间：0.1-30s即可完成； 温度特性好：工作温度范围宽； 节约能源； 绿色环保。
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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。
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(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。
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。
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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。
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双电层原理示意图
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2. 性能特点
—介于电池和物理电容器之间
性能 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
铅酸电池 1-5小时 0.3-3小时 30- 40
300 < 300 0.7-0.85
超级电容器 0.3-若干秒 0.3-若干秒
1- 20 >10000 >1000 0.85-0.98
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。
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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。
超级电容器的研究
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目录
一、概述 二、分类 三、有关碳材料的研究 四、性能与碳材料结构的关系 五、应用领域和发展趋势
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一、超级电容器的概述
超级电容器(Supercapacitors)，又名电化学电容器 (Electrochemical Capacitors)，双电层电容器 (Electrical Doule-Layer Capacitor)，是上世纪七、 八十年代发展起来的一种新型的储能装置是一种具 备高能量密度的电化学电容器。
纳米管
特点：高导电率，比功率高，比表面积小，成本高。
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4、石墨烯电极材料
特点：导电率较高，化学性能稳定，机械强度 较高，阻抗较小。
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四、超级电容器性能与碳材料 结构的关系
1、比表面积
理论上讲，比表面积越大，其容量也越大，但比 表面积大，通常只会提高质量比容量，而更重要 的体积比容量会降低，而且材料导电性也差。
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。
纳米尺寸导电聚合 物
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2. 按电解质类型分类
1) 水性电解质
酸性电解质：36％的H2SO4水溶液 碱性电解质：KOH、NaOH等强碱 中性电解质：KCl、NaCl等盐
2) 有机电解质
LiClO4为典型代表的锂盐 TEABF4作为典型代表的季胺盐
3) 液体电解质超级电容器 4) 固体电解质超级电容器
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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
ALeabharlann 132、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
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3、碳纳米管(CNT)电极材料：单壁纳米管和多壁
• 1957年Bcker首先提出了可以将较小的电容器用做 储能器件,其具有接近于电池的比能量。
• 1968年标准石油公司Sohio首先提出了利用高比表 面积碳材料制作双层电容器的专利，并将该专利 技术转让给NEC公司，NEC公司在1979年开始生 产超级电容器用于电动汽车的启动系统。
• 几乎同时，松下公司研究了以活性炭为电极材料 ，以有机溶液为电解质的超级电容器，此后超级 电容器开始大规模的产业化。
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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
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五、应用领域和发展趋势
1、应用领域：
• 税控机、税控加油机、真空开关、智能表 、远程抄表系统、仪器仪表、数码相机、 掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳 电话等的时钟芯片、静态随机存贮器、数 据传输系统等微小电流供电的后备电源。