浅析混合型超级电容器的研究进展
基于多孔炭材料构建高性能锌离子混合电容器
基于多孔炭材料构建高性能锌离子混合电容器基于多孔炭材料构建高性能锌离子混合电容器随着移动电子设备和可再生能源的迅猛发展，对高性能电能存储器件的需求越来越迫切。
电容器作为一种高效能电能存储器件，在电力系统调节、移动电子设备和新能源领域发挥着重要作用。
然而，传统的电容器材料，如金属电解质和二氧化锰等，存在能量密度低、循环稳定性差等缺点，限制了其进一步的应用。
为了克服这些问题，基于多孔炭材料构建高性能锌离子混合电容器逐渐受到研究者的关注。
多孔炭材料具有较高的比表面积、良好的化学稳定性和导电性，能够提供充分的电极接触面积和离子传输通道，因此被广泛应用于电容器中。
通过精确控制多孔结构和孔径分布，可以增强电池材料的电荷传输能力和离子扩散速率，从而提高电容器的能量密度和功率密度。
在构建高性能锌离子混合电容器中，关键是选择适合的正负极材料和电解质。
传统的锌电池使用金属锌作为负极材料，但锌在离子化过程中易于堆积，导致容量损失。
因此，选择适当的锌合金作为负极材料能够有效地解决这个问题。
近年来，研究者通过引入锡、铁、铜等合金元素，成功合成了具有优异性能的锌合金负极材料。
这些锌合金具有较高的比容量和循环稳定性，能够实现高效的电荷传输和离子嵌入/脱嵌过程。
在正极材料方面，多孔炭材料被广泛研究和运用。
多孔炭材料的孔隙结构能够提供大量的储锌活性位点，增强电容器的能量密度。
同时，多孔炭材料具有优异的导电性和电荷传输能力，能够有效地提高电容器的功率密度。
通过合理设计多孔结构和孔径分布，可以实现更高的能量密度和循环稳定性。
另外，合适的电解质也对构建高性能锌离子混合电容器起着关键作用。
传统的锌电池使用碱性电解质，但由于碱性电解质的阻抗较高，导致电容器的功率密度低。
因此，采用中性或酸性电解质能够提高电容器的功率密度。
研究者们通过改变电解质的浓度、添加溶剂或添加剂等手段，成功提高了锌离子在电解质中的扩散速率和电容器的循环稳定性。
综上所述，基于多孔炭材料构建高性能锌离子混合电容器是一种十分有前景的研究方向。
非对称型超级电容器的研究新进展
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
2.2 双电层电容器与赝电容器
赝电容据过程不同可分为三类：低电势沉积电容、氧化还原赝电容及离子嵌入型电容。
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
2.3 电容式非对称超级电容器与混合电容器
电池、电容式非对称超级电容器和混合电容器的典型 CV和GCD曲线示意图
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
非对称型超级电容器的研究新进展
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
1、超级电容器的历史发展历程
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
2.超级电容器的基础知识
超级电容器
对称型双电层电容器
静电作用（ helmholtz双电层 ）储能
对称型赝电容器
电化学作用储能
活性炭
碳气凝胶
5、基于双电层电容的非对称超级电容器
用EMI-TFSI和EMI-BF4（20%）的混合物组装的电容器
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
6、氧化还原活性电解质基混合电容器
电荷存储示意图及候选氧化还原电对的氧化还原电位
CV曲线和ห้องสมุดไป่ตู้同系统的GCD曲线
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
7、双氧化还原活性电解质基混合电容器
具有两种氧化还原活性物质的离子液体电解质，当用于非对称超级电容器时能 够显著改善电荷存储，提高电容。
绿色化学介质与反应教育部重点实验室
非对称超级电容器的未来发展目标是在不损害高功率密度的情况下提高能量密度 。不同法拉第电容材料的组合应该是一种可行的方法，但仍需要更深入地了解其协同 相互作用以确保优化的电容性能。 一些未来的研究发展方向： • • • • • • 进一步研究和理解电荷存储机制（双电层电容和赝电容）； 寻找新材料，开发具有更强电化学性能的先进非对称超级电容器； 非对称超级电容器中电解质性能的优化； 利用先进技术（如SANS、SAXS等）和原位实验（如原位X射线衍射等）研究双电
超级电容器在储能领域的应用及性能优化
超级电容器在储能领域的应用及性能优化超级电容器（Supercapacitor）是一种储能装置，具有高能量密度、长循环寿命和快速充电与放电等优点。
它在能量存储和释放中具有广泛的应用，特别是在储能领域。
本文将探讨超级电容器在储能领域的应用，并提出相应的性能优化策略。
一、超级电容器在储能领域的应用1. 瞬态储能应用：超级电容器具有快速充电和放电的特性，在电能转换、电路稳定性和负载平衡等方面发挥重要作用，在瞬态储能应用中广泛使用。
例如，电动车和混合动力车通常利用超级电容器存储制动能量，并在需要时释放能量以提高车辆的燃料效率。
2. 供电备份应用：超级电容器具有长循环寿命和较低的能量损耗，适用于供电备份应用。
在电网故障或突发停电时，超级电容器可以提供短时的备用电源，确保关键设备的正常运行，减少生产或生活中的损失。
3. 可再生能源平滑输出：超级电容器可用于可再生能源系统中的平滑输出。
由于可再生能源的天气和变化的风速等因素的不稳定性，使用超级电容器可以存储能量并平滑输出，以在不稳定的环境中提供稳定的电力供应。
4. 电子设备稳压和滤波：超级电容器在电子设备中的应用日益增多，可用于滤波和稳压。
通过将超级电容器与传统电容器和电池结合使用，可以提高电子设备的功率密度和稳定性。
二、超级电容器性能优化策略为了进一步提高超级电容器的性能，在储能领域的应用中，我们可以采取以下策略：1. 电极材料优化：电极是超级电容器的核心组件之一，其材料的选择和优化对性能起着关键作用。
研究人员可以通过合成新型纳米材料、涂敷活性物质以增加电极表面积、优化电极结构等方法来改善电极性能，从而提高超级电容器的能量密度和功率密度。
2. 电解质优化：电解质是超级电容器电极之间的介质，对电容器的功率密度和循环寿命具有直接影响。
优化电解质的离子导电性和稳定性，可以提高超级电容器的性能。
例如，研究人员可以改变电解质的组成、添加添加剂或调整电解质浓度等方式来改善电解质性能。
超级电容器及其电极材料的研究
第5期2018年10月No.5 October，2018随着人类对友好型社会的美好向往，大家逐渐开始重视可再生能源，然而可再生能源不适合电能输送，因其不稳定、不连续性会影响输电质量。
因此我们需要开发良好的储能装置。
超级电容器凭借它具有的诸多良好性质而被关注。
不同电极材料影响着超级电容器的性能，因此我们应注重电极材料的研究。
超级电容器是介于电池和传统电容器之间通过极化电解质储能的电源[1]。
其充电速度快、放电能力超强、循环使用时间长，而且其功率密度极高。
目前研究的主要有法拉第准电容（赝电容）和双电层电容器两种类型。
1 赝电容赝电容是电活性物质处于潜在沉积下，在电极上发生可逆的化学吸附、解吸或氧化还原反应，产生电极的充电电位[2]。
赝电容的电极材料有以下几种。
1.1 金属氧化物氧化钌材料的比电容较大、导电性能极好，但其价格较为昂贵，并不能广泛应用；氧化锰价格低廉、对环境友好、性能良好，价态较多容易获得且价格低廉，因此被广泛使用；氧化镍导电性能好、易获取、制备简单，也很有发展前景。
1.2 复合金属氧化物钼酸盐因其催化和电化学性能的优异性而被研究作为电极材料，有实验小组研究了COMOO 4/MnMOO 4异质结构纳米材料的超电容性，结果发现，COMOO 4纳米棒活性电极电化学性能优异；有文献报道了用NiCO 2O 4作为赝电容的电极材料，其常用的制备方法有水热法（溶剂热法）、微波辅助法、模板法、电沉积法、共沉淀法等；据报道，CuCO 2S 4成功用熔剂法合成，结果显示制得的花瓣状的CuCO 2S 4材料具有较高的比电容、充放电速率很优良、循环性也很稳定，因其特殊的3D 结构，导电率较高、比表面积较大而体现出优异的赝电容性能。
1.3 导电聚合物导电聚合物是利用掺杂原理使材料电导率处于半导体和导体范围间，其主链上含有交替的单键与双键，形成共轭大π体系，因π电子流动而能导电[3]。
其可使用的温度范围宽、其寿命长。
超级电容器文献综述
高比能量水基电解质炭基超级电容器的研究文献综述一、课题背景和意义超级电容器(Supercapacitor)，又称超大容量电容器(Ultracapacitor)或电化学电容器(Electrochemical capacitor)，是一种重要的电化学能量存储与转换装置[1-3]。
从双电层理论的提出到超级电容器的问世，经历了很长一段历史。
20世纪50年代末，Becke申请了双电层电容器的专利，超级电容器的研究才取得实质性进展[1]。
1971年，日本NEC公司成功制备了第一个商用超级电容器[4]。
在七八十年代，Conway和他的合作者利用赝电容电极材料RuO2制备了性能更加优异的超级电容器[5]。
美国政府在1989 年制定了超级电容器领域的短期和中长期研究计划项目，更是加速推动了超级电容器产业的发展。
2007年，《Discovery》将超级电容器列为2006年世界七大技术发现之一，认为其是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些重要领域替代传统能量存储装置。
至此，超级电容器已得到各界的广泛关注和认可，并成为全球新型储能器件的一个研究热点[3, 6-11]。
作为一种新型的储能器件，超级电容器具有众多优点，图1.1是其与电池和普通电容的对比情况。
对比结果显示与电池相比，超级电容器具有较低的能量密度，但是其功率密度较高；与普通电容相比，超级电容器具有较低的功率密度，但是其能量密度较高。
图1.1不同储能器件对比二、超级电容器的组成和工作原理2.1超级电容器的组成超级电容器是一种重要的电化学能量存储装置，其结构示意图如图2.1所示。
超级电容器的主要构件为对称的双电极、防止电极接触短路的隔膜、电解质和电极材料基底-集流体。
图2.1超级电容器的构成图示2.2工作原理基于超级电容器的不同构成材料及工作原理，可将其分为三类：(l)电化学双电层电容器(Electrochemical Double Layer capacitor，EDLC)；(2)法拉第赝电容器(Faradic Pseudocapacitor，FPC)；(3) 混合杂化型电容器(Hybrid Supercapacitor，HSC)。
基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状
基于石墨烯基复合材料的超级电容器研究现状超级电容器是一种发展成本低、环境友好、能量密度高的新型绿色能源装置，具有充电时间短、放电速度快、使用寿命长、节约能源和绿色环保等优点，得到了科学界的一致追捧，而影响超级电容器最关键的因素就是电极材料的性能。
过渡金属氧化物如Mn02，ZnO，C0304和NiO等虽是较好的电极材料，但导电性能较差，会产生较大的内阻，使得在充放电过程中，容易导致电极材料结构的破坏而影响其充放电容量和循环性能。
将过渡金属负载到碳材料例如石墨烯上可以较好的解决这一难题，这方面研究国内外已有很多相关报道。
作为碳材料中重要的一员，石墨烯由于导电性能强、导热性好、质量轻、比表面积大而备受关注，在储能装置、电化学器件、功能性复合材料等方面都具有重要的应用。
将石墨烯应用到超级电容器上，改善了超级电容器的电容量和循环稳定性。
但石墨烯层与层之间的分子问作用力导致石墨烯容易团聚，从而降低了石墨烯的比表面积和比容量。
将过渡金属氧化物和石墨烯组装成复合材料，既能提高电极材料的导电性和充放电容量，又能增强其循环稳定性。
1过渡金属氧化物与石墨烯复合材料在超级电容器中的应用1．1二氧化锰／石墨烯在超级电容器的研究中，锰作为过渡元素较先受到关注。
虽然它资源比较丰富，且易获取，但电化学性能较弱，尤其是导电性能差阻碍了人们进一步研究的步伐。
通过与石墨烯的复合，能在一定程度上改善二氧化锰存在的问题，大幅度提高其比电容和循环性能。
Li等制备的石墨烯／Mn02复合纸电极具有无黏结剂、柔韧性好的特性，并发现其具有良好的循环稳定性，且在浓度为0．1 mol／L 的Na2SO4水溶液中，当电极的Mn02含量为24％，电流密度为O．5 A ／g时，该复合纸电极的比容量为256 F/g。
Wei等通过高锰酸钾还原成二氧化锰沉积在石墨烯表面制备出了二氧化锰／石墨烯复合材料，该复合材料在超级电容器性能测试中显示了较好的循环寿命，其电容为114 F／g。
超级电容电池【发展背景+实际案例】
发展状况简介：目前超级电容电池的研发情况超级电容器是上世纪80年代后发展起来的新型储能器件，在欧洲、美国、日本已经开始形成新兴的产业。
国外研发情况从1990年开始，世界各国开始成立专门机构开发和生产超级电容器，目前，在该技术领域中处于领先地位的国家有俄罗斯、日本、德国和美国，这些发达国家已把超级电容器项目作为国家重点研究和开发项目，并提出了近期和中长期发展计划。
在超级电容器的实用性方面，俄罗斯走在世界的前列。
国内研发情况我国从九十年代开始研制超级双电层电容器，与国外先进水平还有一定的差距。
据有关资料表明，国内有些单位已经研制出比能量为10Wh/kg、比功率为600W/kg的高能量型及比能量为5Wh/kg、比功率为2500W/kg的高功率型超级电容器样品，循环使用次数可达50,000次以上。
性能指标已经达到国际先进水平，成本较国际平均价格有大幅度下降，初步具备应用水平。
目前，国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司、锦州锦容公司、石家庄高达公司、北京金正平公司、锦州凯美公司、大庆振富公司、江苏双登公司、哈尔滨巨容公司、南京集华公司等十多家。
据称，国产超级电容器已占有中国市场60%～70%的份额。
国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，然而，能够批量生产并达到实用化水平的厂家不到20家。
国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州凯美能源（原锦州富辰、锦州锦容）、北京集星电子、上海奥威等十多家。
锦州凯美能源是国内最大的超级电容器专业生产厂，主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。
北京集星可生产卷绕型和大型电容器，而上海奥威产品多集中在车用超级电容器上。
国内厂商很注重超级电容器的大功率应用，如环保型交通工具、电站直流控制、车辆应急启动装置、脉冲电能设备等。
在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位，如美国的Maxwell，日本的NEC、松下、T okin和俄罗斯的Econd公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。
超级电容器炭电极材料的研究
超级电容器炭电极材料的研究一、本文概述随着全球能源需求的持续增长以及环境问题的日益严重，高效、环保的能源存储技术成为了科学研究的热点。
超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其高功率密度、快速充放电性能以及长循环寿命等优点，在电动汽车、智能电网、便携式电子设备等领域具有广泛的应用前景。
炭电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接决定了超级电容器的电化学性能。
因此，研究高性能的炭电极材料对于推动超级电容器技术的发展具有重要意义。
本文旨在探讨超级电容器炭电极材料的研究现状、发展趋势以及未来挑战。
我们将对超级电容器的基本原理和炭电极材料的分类进行简要介绍。
随后，重点分析不同类型炭电极材料的制备工艺、结构特征以及电化学性能，并对比其优缺点。
我们还将讨论炭电极材料在超级电容器应用中的实际问题，如循环稳定性、能量密度和功率密度等。
结合当前的研究热点和技术难点，展望超级电容器炭电极材料未来的发展方向，以期为相关领域的研究提供有益的参考和启示。
二、超级电容器炭电极材料概述超级电容器，作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命以及宽广的工作温度范围等优点，受到了广泛的关注和研究。
而炭材料，因其优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性以及低廉的成本，成为了超级电容器电极材料的理想选择。
炭电极材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
活性炭是最早被用于超级电容器的炭材料，其具有高比表面积和良好的孔结构，可以提供大量的电荷存储位置。
碳纳米管因其独特的一维结构和优异的电子传输性能，成为了超级电容器电极材料的研究热点。
石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，因其超高的比表面积、良好的导电性和化学稳定性，被认为是超级电容器炭电极材料的未来之星。
在超级电容器炭电极材料的研究中，如何提高其比表面积、优化孔结构、改善导电性能以及提高电化学稳定性是研究的重点。
通过物理或化学活化方法，可以增大活性炭的比表面积并改善其孔结构，从而提高其电荷存储能力。
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浅析混合型超级电容器的研究进展
发表时间：
2017-10-30T12:25:00.433Z 来源：《电力设备》2017年第16期 作者： 荆葛
[导读] 一方面提高超级电容器电极材料的比电容，另一方面经过应用不对称混合型超级电容器系统提高电容器的出输电压，达到提高电容
器能量密度的目的。本文的主要内容就是介绍了混合超级电容器的发展情况和研究新型电极材料方面的进展。
（江苏集盛星泰新能源科技有限公司 江苏省常州市 213000）
摘要：与传统电容器相比，超级电容器具有的特点是使用寿命长、功率密度较高，相对能量密度较小。当前，绝大多数的研究工作者
在改良超级电容器中能量密度的问题上都投入了很多的精力和时间，一方面提高超级电容器电极材料的比电容，另一方面经过应用不对称
混合型超级电容器系统提高电容器的出输电压，达到提高电容器能量密度的目的。本文的主要内容就是介绍了混合超级电容器的发展情况
和研究新型电极材料方面的进展。
关键词：混合型超级电容器；活性炭；研究进展
引言
20
世纪60年代，超级电容器开始了起步和发展，在20世纪90年代随着混合电动汽车的迅速发展带动了超级电容器的发展进程。超级电
容器是存在于传统电容器和充电电池之间的一类新颖的储能设备，其中的容量可以达到几千法拉。与传统电容器和蓄电池相比，超级电容
器具有使用寿命长、静电容量大、功率密度高、设备环保无污染等优势。随着社会和科学技术的进步，超级电容器技术的发展越来越受到
人们的关注和重视，广泛应用在各类电子产品和交通设施等方面。
1
浅析电化学超级电容器
1.1
工作机理和分类
超级电容器是功率补偿和储能的设备，电容的大小显示储能的多少。依据电能的储存和转化的原理，超级电容器分为双电层电容器、
法拉第准电容器和混合型超级电容器。
1.1.1
双电层电容器
双电层电容器的工作机理是应用电极和电解质两者形成的界面双电层进行储存电能。双电层电容器储存电能的过程是经过电解质溶液
发生电化学反应实现的，电容器本身没有发生任何反应，所以这种储能方式是可逆的。
1.1.2
法拉第准电容器
法拉第准电容器的主要原理是准电容对准电容，在正极和负极的表面发生氧化还原反应，产生和电极充电电位相关的电容。
1.1.3
混合型超级电容器
混合型超级电容器作为一种新型开发的电容器，分为对称型和不对称型，在正负极分别应用电池材料和活性炭材料，经过电化学反应
达到储存和转化能量的目的。由于混合型超级电容器在充放电的储能原理存在差异，所以具有双电层电容器和蓄电池的共同特点。当前，
混合型超级电容器是电容器研究的重点。
1.2
超级电容器的特点
超级电容器是存在于传统电容器和电池之间一种优化的储能设备，其特点有较高的功率密度、充放电使用次数多、较长的使用寿命、
快速充电、较大的工作能量和输出功率、耐热性好等。
2
混合型超级电容器的研究进展
目前，双电层电容器和法拉第准电容器的能量密度已经远超过传统电容器，但在实际使用的过程中，两者的能量密度和储电量相对不
高，不能满足使用要求。在研究和寻求超高能量密度的过程中，混合型超级电容器应运而生，成为人们的研究重点。
混合型超级电容器一方面具有较大的能量密度、较高的输出功率密度等特点，另一方面具有较快的充放电能速度、较长的循环使用寿
命等优势，是一类高能适用的储能设备，广泛应用在便携式仪器设施、数据存储、电动汽车和应急电源等方面。尤其在电动汽车的使用
中，将超级电容器和电池结合适用，一方面提高了输出功率和能量，另一方面大大缩减了电源占据的空间，还增加了电池的使用寿命。如
今，世界各国在研究混合型超级电容器中均投入了大量的人力财力，我国混合型超级电容器的研究也是势在破竹，迅速发展。
为达到同时提高能量密度和功率密度的目标，研究者设计发明出新型的不对称型电化学超级电容器。在电容器的一极为双电层电极，
另一极为法拉第准电容电极。不对称型电化学超级电容器融合了两种电容器的优势特点，一方面提高了能量密度和功率密度，另一方面能
够较好的满足实际使用中对负载的需求。
电容器电容值的多少和电极材料的表面积比有着紧密的联系，研发和制作较高表面积比的材料是不断改革和更新电极材料和电容功能
的有效手段。目前，大多数混合型超级电容器利用活性炭作为正极或负极，由于另一极和电解质溶液的不同将混合型超级电容器分为六大
类型，分别是正极为
Ni（OH）2（KOH水溶液）的碳镍混合型超级电容器、负极为纳米Li4Ti5O12（LiPF6乙腈溶液）的混合型超级电容
器、正极为石墨（
H2SO4水溶液）的有机电解质系统混合型超级电容器、负极为LiMn2O4（Li2SO4水溶液）的混合型超级电容器、正极为
金属氧化物（
H2SO4水溶液）的混合型超级电容器、正极为导电聚合物（KOH水溶液）的混合型超级电容器这六个方面。目前研发的混合
型超级电容器的工作电压在
0V-2.8V之间，能量密度可以高达7 Wh/kg（L） -45 Wh/kg（L），相比于一般的电容器来说，具有能够承受较
高电压的工作环境、大幅度提高能量密度、有效减少漏电现象、电极材料易得等优点。
结语
由此可见，混合型超级电容器是传统电容器和和充电电池融合形成的一种具有美好前景的储能设备，是混合电力实际应用的理想电
源，具有能量密度大、体积小等优势。但在使用的过程中也存在一些问题，比如大电流放电会引发容量骤减、电极材料和电解质溶液存在
安全隐患、操作条件苛刻提升成本等，其中电极材料是决定电容器功能的主要原因，也是当前研究和开发的重点所在。研发具有较高电容
量、承受较高电压、较高输出功率和较长使用寿命的复合型电极材料是提升混合型超级电容器能量密度和功率密度的发展方向和趋势。
参考文献
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作者简介
荆葛（1985-11-01），男，汉族，籍贯：山东省青岛市，学历：本科，研究方向：超级电容器。