超级电容器材料
新能源材料-超级电容器
8.1 超级电容器概述 8.2 碳材料系列 8.3 金属氧化物材料 8.4 导电聚合物材料 8.5 复合材料 8.6 其他材料
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8.1 超级电容器概述
超级电容器(Supercapacitors)是从上世纪七、八十年代 发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不 同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、 具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电 荷储存电能。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。
(a) 碳气凝胶 (b) 花朵上的碳气凝胶
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8.2 碳材料系列
碳气凝胶的制备： 1）形成有机凝胶：有机凝胶的形成可得到具有三维空 间网络状的结构凝胶； 2）超临界干燥：超临界干燥可以维持凝胶的织构而把 孔隙内的溶剂脱除； 3）碳化：碳化使得凝胶织构强化，增加了机械性能， 并保持有机凝胶织构。 只有热固性有机气凝胶才能制备碳气凝胶，否则碳化将破坏 凝胶结构。碳气凝胶的原料一般采用间苯二酚和甲醛，二者 在碱催化剂作用下发生缩聚反应，形成间苯二酚甲醛 RF(resorcinol formaldehyde)凝胶。用超临界干燥法把孔隙 内的溶剂脱除形成RF气凝胶，RF气凝胶在惰性气体下碳化 得到保持其网络结构的碳气凝胶。
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8.1 超级电容器概述
双电层原理示意图
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双电层电容器充电状态电位分布曲线
Profile of the potential across electrochemical double 功能材料研究所 layer capacitor in the charged condition
超级电容器电极材料的设计与制备
超级电容器电极材料的设计与制备超级电容器是一种现代化的电能存储设备，它可以在微秒时间内完成能量的存储和释放。
相较于电池，它有更高的功率密度和更长的寿命，因此被广泛应用于各个领域。
超级电容器的基本构成是电极、电解质和集流器，其中电极材料是决定超级电容器性能的关键因素。
本文主要讨论超级电容器电极材料的设计与制备。
一、超级电容器电极材料的分类根据电极材料的性质不同，超级电容器电极材料可以分为两类：金属氧化物电极和活性炭电极。
金属氧化物电极主要由金属氧化物（如RuO2、MnO2、NiOOH等）制成，它们具有良好的电导率和电化学稳定性，能够承受高电流密度和高温环境，因此在高功率应用中得到广泛使用。
但是，金属氧化物电极的电容量较低，无法满足某些应用的需求。
活性炭电极能够提供更高的电容量，因为它们具有较高表面积和孔隙度，可以提供更多的存储空间。
目前，活性炭电极是占据超级电容器市场主流的电极材料。
但是，活性炭电极具有较低的电导率和较短的寿命，因为它们容易受到电化学反应的影响。
二、超级电容器电极材料的设计超级电容器电极材料的设计是一个复杂的过程，需要考虑材料的电化学性质、物理性质、结构性质等多方面因素。
首先考虑材料的电化学性质。
超级电容器在使用过程中会发生电化学反应，因此电极材料需要具有良好的电化学稳定性，以保证超级电容器的稳定性和寿命。
此外，电极材料应该尽可能地提高电容量和功率密度，以满足不同应用的需求。
其次考虑材料的物理性质。
活性炭电极需要具有高表面积和孔隙度，这样可以提供更多的存储空间。
金属氧化物电极需要具有良好的导电性和耐高温性，以承受高功率密度和高温环境。
最后考虑材料的结构性质。
电极材料的结构可以影响其电化学性质和物理性质。
例如，控制活性炭的微观结构可以调节其表面积和孔隙度，从而提高电容量和功率密度。
金属氧化物电极可以采用纳米结构、多孔结构等形式，以提高电极的电化学性能。
三、超级电容器电极材料的制备超级电容器电极材料的制备方式取决于其材料类型和结构。
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。
超级电容器的分类
超级电容器的分类（资料来源：中国联保网）按原理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、PAn i、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，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。
超级电容器的材料与制造
超级电容器的材料与制造超级电容器是一种能够快速存储和释放大量电荷的电子元件，具有高能量密度、长循环寿命、快速充放电速度等优点，因此在电子设备、新能源汽车、电力系统等领域有着广泛的应用。
超级电容器的性能主要取决于其材料和制造工艺，下面将介绍超级电容器常用的材料以及制造过程。
一、超级电容器的材料1. 电极材料超级电容器的电极材料是其性能的关键之一。
目前常用的电极材料主要包括活性炭、氧化铅、氧化锰、氧化铁等。
活性炭是最常见的电极材料，具有比表面积大、导电性好的特点，能够提高电容器的能量密度。
氧化铅、氧化锰、氧化铁等材料具有较高的比电容和电导率，能够提高电容器的功率密度。
2. 电解质电解质是超级电容器中起储存电荷和传导电荷的作用的重要组成部分。
常用的电解质包括有机电解质和无机电解质。
有机电解质具有导电性好、稳定性高的特点，但在高温下易发生分解；无机电解质具有耐高温、耐腐蚀的特点，但导电性较差。
选择合适的电解质可以提高超级电容器的性能。
3. 封装材料超级电容器的封装材料需要具有良好的绝缘性能、耐高温性能和耐腐蚀性能，以保护电容器内部元件不受外界环境的影响。
常用的封装材料包括聚酰亚胺、聚丙烯等高分子材料，以及氧化锌、氧化铝等无机材料。
二、超级电容器的制造1. 电极制备电极是超级电容器的核心部件，其制备过程主要包括原料处理、混合、成型、烘干和烧结等步骤。
首先将电极材料进行粉碎、筛分等处理，然后按一定比例混合均匀，加入适量的粘结剂和溶剂，进行成型，最后通过烘干和烧结等工艺得到成品电极。
2. 电解质注入电解质是超级电容器中起储存电荷和传导电荷的作用的重要组成部分。
在制造过程中，需要将电解质注入到电容器的正负极之间，以确保电容器正常工作。
注入电解质的过程需要控制好温度、压力和注入速度等参数，以避免电解质泄漏或不均匀分布。
3. 封装组装封装是超级电容器制造的最后一个环节，其目的是将电容器内部元件封装在外壳中，以保护其不受外界环境的影响。
超级电容器的关键材料
超级电容器的关键材料超级电容器的关键材料包括电极材料､电解质､隔膜和集电材料等｡（一）电极材料电极材料是决定电容器电容量大小的主要因素,对电极材料的要求是电导率较高且不与电解质发生化学反应,表面积尽可能大,价格便宜,制备过程中易于成形｡目前,超级电容器电极材料的代表是RuO2·nH2O,比电容已达到720F/g,但Ru资源稀缺且价格昂贵｡而成本较低的､比表面积较高的多孔碳电极材料,其比电容只能达到200F/g左右｡（二）电解质在电化学超级电容器中,电解质也是关键的组成部分,它不仅在电容器的性能上起着许多决定性的作用,还在相当大程度上决定着电容器实用的可靠性｡现在应用和研究的电解质大致可分为固态和液态两种,液态电解质又包含水溶液和有机溶液两类｡1.水系电解质在使用活性炭作为电极的EDLC中,H2SO4由于具有较低的凝固点,而且不存在KOH所具有的沉积结晶现象而被广泛应用｡考虑到电导率等因素,研究者们认为30%是最佳浓度｡相对于H2SO4溶液而言,KOH水溶液导电性稍差,但腐蚀性弱于H2SO4,集电极可采用高导电的金属材料,因而被人们采用｡其他水溶液电解质,如HCl､H3PO4､HNO3及HClO4等,也被尝试作为EDLC的电解质,但效果不佳｡2.有机电解质有机电解质的一个重要研究内容是支持有机溶剂的电解质盐的开发和选用｡应用于EDLC的支持电解质种类不多,目前使用的阳离子主要是季铵盐(R4N+)和锂盐(Li+),此外季磷盐(R4P+)和芳香咪唑盐(EMI)也有报道;阴离子主要有ClO4-､BF4-､PF6-､AsF6-和(CF3SO2)2N-等｡在各种电解质盐中,Et4NBF由于具有良好的综合性能,因而在EDLC中得到了广泛的应用｡3.固体电解质固体电解质由于良好的可靠性､无电解质泄漏､可薄型化和可延长寿命等优点而备受青睐,也实现了全固态EDLC｡运用于EDLC的固体电解质分为无机固体电解质和有机固体电解质｡1)无机固体电解质无机固体电解质本身具有良好的导电性,人们对其用做EDLC的可能性进行了大量研究,尝试使用Rb2Cu8I3C17､β-Al2O3､HUO2PO4·H2O 和RbAg4I4等固态电解质作为EDLC的电解质,其中RbAg4I4最受人们关注,它以Ag+作为导电载体,是目前唯一用于商品EDLC的无机固体电解质｡目前,无机固体电解质由于存在电压窗口窄(只有0.5V左右)和成本高等致命弱点而难以推广应用｡2)有机固体电解质目前研究最多的有机固体电解质是锂离子盐或季铵盐溶解于聚合物溶剂中形成的凝胶状固态电解质｡作为溶剂的聚合物有聚丙烯腈(PAN)､聚甲基丙烯酸酯(PMMA)､聚氧化乙烯-聚甲基丙烯酸酯共聚体(PEO-PMMA)和聚氧化乙烯(PEO)等｡有机固体电解质用于EDLC的缺点是室温下大多数聚合物电解质的电导率很低,电极与电解质之间的接触差,并且电解质盐在聚合物基体中的溶解度也相对较低｡相比之下,胶体电解质除具有固体电解质的诸多优点外,还能与电极良好接触,而且聚合物基体负载的无机､有机电解质,常温下仍具有接近原液的离子电导率,因而成为EDLC领域的一个新兴研究热点｡此外,人们还研究了一些含水的无机胶体电解质,如PVA-KOH-H2O和PEO-KOH-H2O等｡这类电解质由于含有水,因而它们的耐压范围与水系电解质相近,但与水系电解质相比,它们在保留水溶液电解质高电导率优点的同时,还能实现薄膜化,因而具有广阔的应用前景｡胶体聚合物电解质尽管室温电导率可达10-3S/cm以上,但它的力学性能差､成膜困难,在使用上存在一定的缺陷｡4.对电解质的要求实验中用到的水溶液电解质一般是由溶剂和电解质盐组成,对电解质的性能要求如下：(1)高的电导率电解液的离子浓度在最低程度上应当满足在最大容量下阳极能够形成双电层时所需浓度,当电解液的电导率与溶剂的介电常数不成正比,而与溶剂浓度的倒数成正比时,说明在此状态下电解质盐已经完全溶解于溶剂中,这时的电导率则只与离子的迁移能力有关｡在超级电容器中,电解液的电阻达到了内部阻抗的50%左右,在进行放电时,电压降会随着能量的损失而损失｡因此在大电流放电时,就会对电解质的电导率采取更高的要求来降低损失｡(2)电解液应不与电极发生化学或电化学反应超级电容器一般都是在电解液的分解电压范围内进行工作的,所以分解电压高的电解液就能提高超级电容器的工作电压,这就意味着电容器的容量也会随之升高｡(3)要有较宽泛的温度范围电容器的温度性质直接由电解质的温度性质来决定｡(4)最好无毒无味､价格低廉､不易燃烧､配比简单､易于购买等｡（三）隔膜为了防止EDLC中两个相邻的电极之间发生短路现象,也给电解质溶液中的正､负离子迁移提供扩散通道,需要用一种适当的隔膜材料将两个电极分开｡隔膜的厚度､孔径及孔隙度对电容器单元体系的内阻､漏电流及其电压稳定性都有较大影响｡一般情况下,隔膜愈薄,孔隙率愈大,则单元电容器的内阻愈小｡因此要求隔膜材料应强度大､浸润性好及保湿性能良好等｡（四）集电材料单元电容器的耐压性和循环稳定性依赖于集电极的电化学稳定性｡一般要求使用强度高､质量轻的集电极,这样有利于提高单元电容器的功率密度和能量密度｡像铝和不锈钢这种电化学稳定性好､电导率高､强度高､质量轻以及价格便宜的材料适合用在非水基电解液的电容器中,而采用KOH电解质溶液的电容器则用镍箔或泡沫镍较合适｡至于昂贵的金属铂则用于采用H2SO4电解质溶液的EDLC｡（五）外壳材料外壳材料(有时兼具集电极的作用)也是EDLC不可缺少的重要组成部分｡它一方面起着密封作用,防止电解质溶液的挥发;另一方面则保护体系中其他部分免受外部的机械冲击｡外壳材料应不与电解质溶液发生反应,而且还应具有良好的耐高低温性能｡目前多使用不锈钢､铝､聚四氟乙烯和聚丙烯材料等来做EDLC的外壳｡。
超级电容器材料
超级电容器材料超级电容器是一种能够储存和释放大量电能的电子元件，它具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命等特点，因此在电力系统、汽车、电子设备等领域有着广泛的应用前景。
而超级电容器的性能取决于其材料的特性，因此研究和开发高性能的超级电容器材料是当前的重要课题之一。
目前，常用的超级电容器材料主要包括活性碳、氧化物、聚合物和碳纳米管等。
活性碳是一种常见的电极材料，具有高比表面积和良好的电导率，能够提供较大的电容量。
氧化物材料如二氧化锰、氧化铁等具有较高的比电容和较好的循环寿命，适合用于超级电容器的正极材料。
聚合物材料具有较高的柔韧性和可塑性，能够制备成薄膜状电极，适合用于柔性超级电容器的制备。
而碳纳米管具有优异的导电性和机械性能，能够制备成复合材料，提高超级电容器的性能。
除了上述常见的超级电容器材料外，近年来也涌现出一些新型材料，如金属有机骨架材料（MOF）、二维材料（如石墨烯）等，这些材料具有特殊的结构和性能，能够为超级电容器的发展带来新的机遇和挑战。
MOF具有高孔隙度和可调控的结构，能够提供更大的比表面积和更多的储能位，有望成为新型的电极材料。
石墨烯具有优异的导电性和机械性能，可以制备成高性能的电极材料，同时也可以作为超级电容器的导电添加剂，提高电极材料的导电性能。
在超级电容器材料的研究和开发过程中，需要考虑材料的制备工艺、结构设计、性能表征等方面的问题。
制备工艺的优化能够提高材料的成品率和性能稳定性，结构设计的合理性能够提高材料的储能效率和循环寿命，性能表征的准确性能够为材料的性能评价提供可靠的依据。
总的来说，超级电容器材料的研究和开发是一个综合性的课题，需要结合材料科学、化学工程、电子工程等多个学科的知识和技术。
随着新材料的涌现和制备工艺的进步，相信超级电容器在能源存储、汽车动力、可穿戴设备等领域的应用将会更加广泛和深入。
什么是超级电容!
超级电容(SuperceII)是一种新型储能装置，是以石墨烯等复合材料为正极材料•、在活性炭材料中包裹碳纳米管或石果烯等导电高分子材料，利用充放电过程中的电荷迁移来储存电能，同时又能像普通电容器一样进行能量存储和充放电。
超级电容可分为电化学超级电容、物理超级电容器。
电化学超级电容器(e1ectriccata1yticpump)是指在充放电过程中的电子与离子的交换与扩散作用下，通过电解质中离子扩散的速度来储存能量(或功率)的装置，其本质是利用了氧化链作为储能材料。
物理超级电容(e1ectriccata1yticpump)是指在充电过程中，活性炭内部的微孔中存储了大量电荷；在放电过程中，活性炭表面形成的电介质极易受到环境影响而发生体积变化，同时会使电容降低。
物理超级电容器一般用于航天、国防军工、车辆、大型港口设备、配电网等各种应用领域。
物理超级电容和电化学超级电容在能量存储方式上都可以采用库伦效率低、能量密度低、循环寿命短、不可逆性等问题。
今天小编给大家讲解下超级电容应用领域和优势:一、应用领域1 .新能源汽车：电动汽车、混合动力汽车等；2 .储能电站，3 大型港口设备；4 .医疗卫生行业：mri等高精密医疗器械；5 .航天卫星：星箭分离电源系统；6 .工业电子：应急照明、电梯、电动叉车等；7 .表计：水、燃气表智能表计等：8 .国防军工：坦克、电磁炮、激光武器等大功率能量脉冲武器:9 .风力发电：风力变桨系统太阳能光伏发电；10 .智能电网等：二、特点和优势(1)高功率密度：输出功率密度高达IOKW∕kg,是任何•种化学电源所无法比拟的，是•般蓄电池的数十倍；（2）妥善解决了贮存设备高比能量输出之间的矛盾。
超级电容器可以提佛那个高比功率的同时，其比能量可以达到5-10Wh/kg：（3）充放电循环寿命长，达到IOO次量级；（4）工作温度范围宽∙40°C~+70°C:（5）充电时间短。
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超级电容器材料
超级电容器是一种能够快速存储和释放大量电能的电子元件，它具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快速充放电等特点，因此在许多领域都有着广泛的应用前景。
而超级电容器的性能很大程度上取决于其材料的选择，因此超级电容器材料的研究和开发显得尤为重要。
目前，常见的超级电容器材料主要包括活性炭、氧化铅、镍氢氧化物、聚苯胺等。
活性炭是一种常见的电极材料，它具有高比表面积和良好的导电性，能够提供良好的电容性能。
氧化铅具有良好的导电性和化学稳定性，适合用于电解质。
镍氢氧化物具有高比容量和良好的循环寿命，是一种优秀的电极材料。
聚苯胺具有良好的导电性和循环稳定性，适合用于制备电极材料。
除了以上常见的超级电容器材料外，近年来，一些新型材料也开始受到关注。
例如，二维材料（如石墨烯、硫化钼、氮化硼等）因其特殊的结构和优异的电化学性能，被认为是潜在的超级电容器材料。
此外，金属有机框架材料、碳纳米管、氧化钛等材料也展现出了良好的电容性能，受到了广泛关注。
在超级电容器材料的研究中，除了单一材料的研究外，复合材料也成为了研究的热点之一。
通过将不同材料进行复合，可以充分发挥各种材料的优点，从而实现超级电容器性能的进一步提升。
例如，将活性炭与氧化铅复合，可以提高电容器的能量密度；将聚苯胺与氧化钛复合，可以提高电容器的功率密度。
此外，超级电容器材料的研究还需要考虑材料的制备工艺、表面改性、电极结构设计等方面的问题。
通过优化材料的制备工艺，可以提高材料的比表面积和导电性能；通过表面改性，可以改善材料的电化学性能和循环稳定性；通过设计合理的电极结构，可以提高电容器的能量密度和功率密度。
总的来说，超级电容器材料的研究和开发是一个综合性的课题，需要涉及材料科学、化学工程、电化学等多个领域。
随着材料科学和技术的不断进步，相信未来
会有更多新型超级电容器材料的出现，为超级电容器的性能提升和应用拓展提供更多可能性。