超级电容器研发制造方案(二)
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。
超级电容器的研发及应用前景分析
超级电容器的研发及应用前景分析随着科技的不断发展，人们对电力储存技术的需求越来越高。
超级电容器作为一种新型的电力储存设备，具有储存量大、充放电速度快、长寿命等优势，受到了广泛的关注。
本文将从超级电容器的研发历程、目前的应用范围及其未来的发展前景等方面进行分析。
一、超级电容器的研发历程超级电容器是一种新型的电力储存技术，它能够在短时间内带来大量的电能，并具有长寿命和高效能等特点。
其发明历程可以追溯到20世纪70年代，在当时被称为“电容器式电动车”。
随着技术的不断发展，超级电容器的储能密度不断提高，使用寿命也得到了明显改善。
1996年，Maxwell Technologies公司推出了世界上第一款商用超级电容器，标志着超级电容器进入了实用化阶段。
二、目前超级电容器的应用范围超级电容器目前已经广泛应用于多个领域，如电动汽车、UPS（不间断电源）、可再生能源储能、医疗器械、铁路牵引等。
与传统的储能设备相比，超级电容器具有以下优点：1、储存量大，容量可达几百法拉到数千法拉；2、充放电速度快，可在毫秒级别完成；3、寿命长，可达数十万次充放电；4、高效能，能够实现高效能传输和储存。
三、超级电容器的未来发展前景超级电容器作为一种新型的电力储存技术，具有良好的发展前景。
随着技术的不断发展，超级电容器的储能密度将不断提高，使用寿命也将进一步延长。
未来，超级电容器将有望应用于更广泛的领域，如空间航天、智能电网、智能家居等。
1、空间航天超级电容器在航天领域的应用，主要是用于提供电力支持。
航天器通常需要长时间的飞行和停留，而超级电容器能够提供快速而高效的储能和放电，可以满足其对电力的需求。
此外，超级电容器还具有较强的抗辐射性能，适用于在高辐射环境下的航天任务。
2、智能电网随着智能电网的不断发展，超级电容器作为电力储存的重要设备，将在智能电网中得到广泛运用。
超级电容器可以用于调节电压、平衡负载以及提高电力质量，使得电力系统可以更加高效和稳定地运行。
超级电容技术原理简介
超级电容技术原理简介超级电容器(Supercapacitor ultraca-pacitor) 又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor),它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的储能元器件。
超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大电容量的。
众所周知,传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获得较大的容量,导体材料卷制得很长,有时用特殊的组织结构来增加它的表面积。
传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料通常要求尽可能的薄。
超级电容器在分离出的电荷中存储能量,用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集,其电容量越大。
超级电容器的极板面积是基于多孔炭材料,该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g,通过一些措施可实现更大的表面积。
超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。
该距离和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。
这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊入大的静电容量,故称其为“超级电容器”。
超级电容器拥有比传统电容器高出数千倍的电容值,目前常用的超级电容器的电容量是(0.1F～5000F),最高可达上万F(法拉)。
与利用化学反应的蓄电池不同,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,性能十分稳定。
它具有功率密度大、重量轻、体积小、充电时间短、安全系数高、使用寿命长、低温特性卓越、免维护、节约能源和绿色环保等诸多特点。
因而其用途极其广泛,发展前景非常看好,世界各国在此方面的重视程度和研发投入正在快速提高。
超级电容器的出现,填补了传统电容器和各类电池间的空白。
它最初在电力系统得到广泛的应用,此外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;用在军事上可保证坦克、装甲车等战车的顺利启动(尤其是在寒冷的冬季)、又可作为激光武器的脉冲能源等。
金属氧化物超级电容器简介
金属氧化物超级电容器简介超级电容器，是一种介于普通静电电容器与二次电池之间的新型储能元件。
由于它具有比功率高、比容量大、成本低、循环寿命长、无记忆、充放电效率高，不需要维护和保养等优点，因此在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有广阔的应用前景。
世界各国都给予了高度重视，并将其作为重点开发项目和战略研究进行研发。
超级电容器储能机理超级电容器按原理可分为双电层电容器和赝电容电容器。
作为第一类导体的电极与第二类导体的电解质溶液接触时，充电时则在电极/溶液界面发生电子和离子或偶极子的定向排列，形成双电层电容。
双电层电容器的电极通常为具有高比表面积的多孔炭材料，目前常用的炭材料有:活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、碳气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、网络结构炭以及某些有机物的炭化产物。
赝电容，也称法拉第准电容，是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，发生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。
赝电容不仅在电极表面，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，赝电容可以是双电层电容量的10～100倍。
金属氧化物超电容电极材料最新进展对电极材料研究主要集中在各种活性炭材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料等。
其中活性炭电极材料以产生的双电层为主，金属氧化物材料与导电聚合物材料以产生的赝电容为主，下面就介绍赝电容电极材料的研究进展情况。
由于RuO2等活性物质在电极/溶液界面法拉第反应所产生的"准电容"要远大于活性炭材料表面的双层电容，有着广阔的研究前景，已经引起了不少研究者的重视。
1、超细微RuO2电极活性物质的制备与研究超细微RuO2电极活性物质以其优异的催化活性已经在卤碱工业中得到了广泛的应用，但利用其不同寻常的比容量作为电化学电容的活性物质仅仅是近几年的事情。
T.R.JOW对这一活性物质进行了系统的研究，他们使用溶胶凝胶方法制备了超细微RuO2颗粒，在175℃加热若干时间，然后制备成为电极进行测试，此种RuO2电极活性物质具有优异的大电流充放电性能，其单电极比容量高达760F/g。
石墨烯制成的超级电容器将取代电池
俄亥俄州代顿市Nanotek Instruments公司新研制的石墨烯超级电容器，单位质量可储存的能量相当于镍氢电池，打破了世界纪录，而且充电或放电只需要短短几分钟、甚至几秒钟，有望取代电池。
相关研究论文发表在Nano Letter上。
该超级电容器电极的制备采用了石墨烯，混合5%的超级P(一种乙炔黑，作用相当于导电添加剂)和10%的聚四氟乙烯(PTFE)结合剂。
研究人员把产生的悬浮液涂在集电器表面，把硬币大小的电容器安装在隔离箱里。
电解质-电极界面的制备，采用了“Celguard隔膜-3501”，而电解液是一种化学品，叫做EMIMBF4。
该公司对硬币大小超级电容器的测试表明，石墨烯电极的超级电容器的能量密度为85.6 Wh/kg，而镍氢电池和锂离子电池分别为40-100 Wh/kg和120 Wh/kg，这是有史以来基于碳纳米材料的双电层超级电容器所达到的最高值。
研究小组成员还包括来自Angstron材料研究所的科学家，他们正在努力工作以进一步提高超级电容器的能量密度。
电容器电极材料研制方面取得系列进展。
超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种新型储能器件，具有绿色环保、充电时间短、使用寿命长和工作温度范围宽等优点，其核心部件是性能优异的电极材料。
石墨烯片（GS），作为一种新型的碳材料，具有良好的导电性和大的比表面积，预计将其作为超级电容器的电极材料具有广阔的应用前景。
但是纯石墨烯表面缺少功能基团导致其很难与其它材料复合或在器件上进行组装，从而限制了其深入应用。
因此，对石墨烯表面进行化学修饰以便于获得各种功能复合材料是当前研究的一个热点。
图1：不同PANi含量的PSS-GS/PANi“纸”电极（左）和PSS-GS与PANi纳米纤维之间的静电吸附示意图（右）图2 ：PSS-GS与二氧化锰在基底上的层层自组装示意图固体润滑国家重点实验室研究人员利用化学修饰后的石墨烯（PSS-GS）与聚苯胺（PANi）纳米纤维之间的静电吸附作用，制备了PSS-GS/PANi 复合材料胶体溶液，然后抽虑成膜得到了柔性的PSS-GS/PANi复合“纸”电极材料。
超级电容器用活性炭电极材料的研究进展
超级电容器用活性炭电极材料的研究进展*邢宝林,谌伦建,张传祥,黄光许,朱孔远(河南理工大学材料科学与工程学院,焦作454003)摘要 活性炭因具有制备简单、成本低、比表面积大、导电性好以及化学稳定性高等特点,作为超级电容器电极材料已得到广泛应用。
论述了活性炭电极超级电容器的工作原理及活性炭物化性质对超级电容器电化学性能的影响,介绍了活性炭电极材料的最新研究进展,展望了其应用前景,指出寻找新炭源及活化技术、探索活性炭孔结构和表面性质的有效控制手段、开发活性炭复合材料等是该领域今后研究的重点方向。
关键词 活性炭 电极材料 超级电容器 电化学性能中图分类号:TQ424.1;T M 53 文献标识码:AResearch Progress of Activated Carbon Electrode Material for SupercapacitorXING Baolin,CHEN Lunjian,ZHAN G Chuanxiang,H U ANG Guangxu,ZHU Kongyuan(Institute of M ater ials Science and Eng ineering ,H enan Po ly technic U niver sity,Jiaozuo 454003)Abstract A ct ivated car bo n has been used w idely as the supercapacit or elect rode mat erial for its easy av ailabil-i ty,lo w cost,high specific sur face ar ea,excellent elect rical co nductivit y and chemical st abilit y.T he w orking pr inciple of super ca pacito r w ith activ ated carbon as electro de and effect of phy sicochemica l propert ies o f activated carbon on electro chemical perfor mance of supercapacit or ar e discussed,recent r esear ch adv ances and a pplicat ion pr ospect of act-i vated car bon electro de mater ial ar e highlighted.T he fo cus of fut ur e r esear ch such as search for new r aw materials and activat ion technolog y for activat ed carbon,ex plo ring an effectiv e method to contro l t he por e structur e and surface propert ies o f activat ed carbon and develo pment of activated car bo n co mpo site are also po inted o ut.Key words activated car bo n,electr ode mater ial,super capacito r,electro chemical per formance*河南理工大学学位论文创新基金资助(2009-D -01);河南理工大学博士基金资助(648216)邢宝林:男,1982年生,博士研究生,主要从事洁净煤技术及炭材料方面的研究 E -mail:baolinx ing @ 谌伦建:通讯作者,男,1959年生,博士,教授,博士生导师,主要从事矿产资源利用及炭材料方面的教学和研究工作 E -mail:lunjianc@0 引言超级电容器(Supercapacitor)又称电化学电容器(Elec -t rochem ical capacitor),是一种介于普通电容器与电池之间的新型储能元件,兼有普通电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点,且充电速度快,循环寿命长,对环境无污染,广泛应用于各种电子产品的备用电源及混合动力汽车的辅助电源[1,2]。
超级电容方案
超级电容方案超级电容（Supercapacitors）是一种具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快速充放电等特点的新型储能技术。
它们被广泛应用于电动车、可再生能源储存和便携式电子设备等领域，成为能量储存和传输的关键技术。
在本文中，我们将探讨超级电容方案的重要性和发展趋势。
首先，超级电容技术具有高能量密度的特点，可有效地储存和释放大量的电能。
相比传统电池，超级电容器的能量密度更高，可以在短时间内释放出更大的电流。
这对于需要瞬间高功率输出的应用非常重要，例如电动车的加速和制动过程中，超级电容可以提供更高的功率密度，使得汽车动力更加平稳可靠。
其次，超级电容具有长循环寿命的优势。
由于电势的不断重复充放电过程，传统电池易出现容量衰减和寿命短的问题。
而超级电容器的储能机制并不依赖于化学反应，因此在经过大量循环充放电后仍能保持较高的能量密度和电容值。
这使得超级电容器在需要频繁充放电和较长寿命的应用中具有明显的优势，例如电网调峰、频繁充电和放电的便携式电子设备。
此外，超级电容器的快速充放电特性也使其成为可再生能源储存的理想选择。
可再生能源如太阳能和风能可不间断地产生电能，但其输出受天气和环境条件的影响较大。
超级电容器可以快速吸收和释放大量的电能，稳定可靠地平衡可再生能源的产生和需求之间的差异。
这种能量储存方案的发展有助于推动可再生能源的广泛应用和可持续发展。
目前，超级电容器的研发和应用正朝着更高能量密度、更长循环寿命和更高温度适应性方向发展。
一种创新的研究方法是利用纳米材料和二维材料来制备超级电容器，这些材料的特殊结构和性质可以提高超级电容器的能量储存和输送效率。
此外，通过改进电解质和电极材料的设计，也可以进一步提高超级电容器的性能。
总而言之，超级电容器作为一种新型的储能技术，具有较高的能量密度、长循环寿命和快速充放电特性。
它们在电动车、可再生能源储存和便携式电子设备等领域的应用前景广阔。
随着相关研究的不断深入和技术的创新，超级电容器方案有望进一步提高储能效率和可靠性，为社会的可持续发展做出重要贡献。
超级电容器原理及电特性详细分析
超级电容器原理及电特性详细分析超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。
1. 级电容器的原理及结构1.1 超级电容器结构图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（t etraetry lanmmonium perchlorate）。
工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定：其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界面的表面面积。
图1超级电容器结构框图由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。
电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。
这种超级电容器有几点比电池好的特色。
1.2 工作原理超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。
当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。
当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。
由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。
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超级电容器研发制造方案
一、实施背景
随着科技的快速发展和环保需求的提升，能源储存技术成为全球范围内的热门研究领域。
超级电容器作为一种新型的储能器件，具有高功率密度、快速充放电、循环寿命长等优点，在电动汽车、电力存储、消费电子等多个领域具有广泛的应用前景。
当前，我国在超级电容器领域的技术研发和应用尚处于全球中游水平，急需通过产业结构改革和技术创新，提升超级电容器产业的整体竞争力。
二、工作原理
超级电容器是一种基于双电层原理的储能器件，利用电极与电解质之间的物理吸附作用实现电荷储存。
其核心元件包括电极、隔膜、电解液和外壳。
在工作过程中，当外加电压作用于电极时，电解液中的离子在电场作用下向电极迁移，形成双电层结构，实现电荷储存。
当外加电压撤去后，电极上的电荷通过外电路释放，回到初始状态。
三、实施计划步骤
1.技术研发：加大研发投入，重点突破超级电容器在材料、
结构、制造工艺等方面的关键技术难题。
2.产业协同：通过产学研合作，整合产业链资源，推动上
下游企业协同发展。
3.示范工程：建设超级电容器示范工程，展示产品优势和
应用场景。
4.行业标准：参与制定超级电容器行业标准，提升我国在
国际标准领域的话语权。
5.人才培养：加强人才培养和引进，为产业发展提供人才
保障。
四、适用范围
本方案适用于电动汽车、电力存储、消费电子等多个领域。
具体来说，电动汽车可以通过搭载超级电容器实现快速充电和高效能储能，提高车辆的续航里程和动力性能；电力存储领域可以利用超级电容器平滑供电，提高电力系统的稳定性和可靠性；消费电子领域可以通过引入超级电容器实现轻量化、高效能储能，提高产品的续航能力。
五、创新要点
1.材料创新：研发新型电极材料和电解质，提高超级电容
器的能量密度和循环寿命。
2.结构创新：优化电极结构，降低内阻，提高功率密度。
3.制造工艺创新：采用先进的制造工艺，降低生产成本，
提高生产效率。
4.系统集成创新：将超级电容器与其它储能器件进行集成，
形成高效能储能系统。
六、预期效果
预计通过本方案的实施，我国超级电容器产业将实现以下预期效果：
1.技术水平提升：突破关键技术难题，提升我国超级电容
器产业的技术水平。
2.产业壮大：推动产学研协同发展和上下游企业协同发展，
壮大我国超级电容器产业规模。
3.市场拓展：通过示范工程和行业标准建设，提升我国超
级电容器在国际市场上的竞争力。
4.人才培养：加强人才培养和引进，为产业发展提供人才
保障。
5.环保贡献：推广超级电容器在电动汽车等领域的应用，
减少对化石燃料的依赖，为环保事业做出贡献。
七、达到收益
本方案实施后预计将带来以下收益：
1.经济收益：通过出口和内销，创造大量经济效益。
根据
预测，未来五年我国超级电容器市场将保持20%以上的
年复合增长率。
2.社会收益：通过推广超级电容器应用，提高能源利用效
率和生活质量。
例如，在电动汽车中应用超级电容器可
以大幅缩短充电时间，提高车辆续航里程，方便用户出
行；在电力存储领域应用超级电容器可以提升供电质量，减少停电现象。
八、优缺点分析
优点：
1.高功率密度：与传统电池相比，超级电容器能够提供更
高的功率密度，适合用于瞬间高功率需求的应用场景。
2.快速充放电：超级电容器可以在短时间内完成充放电过
程，大大缩短充电时间，提高工作效率。
3.循环寿命长：超级电容器的循环寿命通常可达数十万次，
远高于传统电池的寿命。
4.环保友好：超级电容器的生产过程中不涉及重金属等有
害物质，对环境友好。
缺点：
1.能量密度较低：与传统电池相比，超级电容器的能量密
度相对较低，限制了其在某些高能量需求场景的应用。
2.自放电率较高：超级电容器在储存过程中存在一定的自
放电现象，影响储存效率。
3.成本较高：目前超级电容器的生产成本仍然较高，限制
了其在大规模应用中的推广。
九、下一步需要改进的地方
1.提高能量密度：通过研发新型电极材料和电解质，提高
超级电容器的能量密度，拓宽其应用范围。
2.降低自放电率：研究降低自放电率的方法和技术，提高
超级电容器的储存效率。
3.降低成本：通过优化生产工艺和材料选择，降低超级电
容器的生产成本，推动其在大规模应用中的普及。
4.系统集成与应用拓展：研究将超级电容器与其它储能器
件进行集成的方法和技术，形成高效能储能系统，并拓
展其在更多领域的应用。
本方案针对产业结构改革的需求，提出了超级电容器的研发制造方案。
通过加大研发投入、推动产业协同、建设示范工程、参与制定行业标准、加强人才培养等措施，提升我国超级电容器产业的技术水平和竞争力。
预计本方案实施后将带来显著的经济、社会和环保效益。
同时，针对超级电容器存在的能量密度较低、自放电率较高和成本较高等问题，提出了下一步需要改进的方向。