超级电容器解读

《超级电容器解读》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超级电容器解读（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、超级电容器 超级电容器超级电容器 SupercapacitorSupercapacitor 与与蓄电池相似而又不同的一类蓄电池相似而又不同的一类 储能器件或储能装置储能器件或储能装置 一、超级电容器概述一、超级电容器概述 化学电容化学电容储能机制储能机制可分为：可分为： 双电层电容双电层电容- -电极表面与电解液间电极表面与电解液间双电层双电层储能。储能。 准电容准电容- -电极表面快速的电极表面快速的氧化氧化- -还原反应储能。还原反应储能。 相应的两类电极相应的两类电极-组成三种电容器组成三种电容器 双电层电容器双电层电容器 正、负极正、负极多孔炭多孔炭 准电容器准电容器 正、负极正、负极

2、金属化合物、石墨金属化合物、石墨 、 导电聚合物。导电聚合物。 寿命短、电压低寿命短、电压低 混合电容器混合电容器 电压、能量密度高电压、能量密度高 1 1、储能原理、储能原理 双电层电容原理 双电层电容原理是指由于正负离子在固 体电极与电解液之间的表面上分别吸附,造 成两固体电极之间的电势差,从而实现能量 的存储。这种储能原理允许大电流快速充放 电,其容量大小随所选电极材料的有效比表 面积的增大而增大。 充电时 ,在固体电极上电荷引力的作用 下 ,电解液中阴阳离子分别聚集两个固体电 极的表面 ;放电时 ,阴阳离子离开固体电极 的表面 ,返回电解液本体。双电层的厚度取 决于电解液的浓度和离子大

3、小。 双电层原理示意图 双电层电极、溶液界面结构示意图 Struture diagram of the interface between electrode and electrolyte 双电层电容器充电状态电位分布曲线 Profile of the potential across electrochemical double layer capacitor in the charged condition 双电层电容器放电状态电位分布曲线 Prifile of the potential across an electrochemical double-layer capacitor

4、in the discharged condition 准电容原理 准电容原理则是利用在电极表面及其附近发 生在一定电位范围内快速可逆法拉第反应来实 现能量存储。这种法拉第反应与二次电池的氧 化还原反应不同。 此时的放电和再充电行为更接近于电容器而 不是原电池,如: （1）电压与电极上施加或释放的电荷几 乎成线性关系; （2）设该系统电压随时间呈线性变化 dV/dt=K,则产生的电流为恒定或几乎恒定的容 性充电电流I=CdV/dt=CK。 此时系统的充放电过程是动力学高度可逆的,与原电池 及蓄电池不同,但与静电电容类似。这种电化学能量储 存系统首先由Conway等与CraiyofContine

5、ntal集团合作, 于1975年开始并致力于这方面的研究工作,研制出采用 这种充放电原理的名为超电容的电容器。这种充放电行 为,Ru的氧化物(RuO2)表现最显著,但其最早的表现形式 是H在Pt或Pb在Au上进行欠电位沉积,产生高度可逆的 化学吸附、脱附。为与双电层电容及电极与电解液界面 形成的真正的静电电容相区别,称这样得到的电容为法 拉第准(赝)电容。 法拉第准法拉第准( (赝赝) )电容不仅只在电极表面电容不仅只在电极表面, ,而且可在整个电而且可在整个电 极内部产生极内部产生, ,因而可获得比双电层电容更高的电容量和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

6、能量密度。在相同电极面积的情况下, ,法拉第准法拉第准( (赝赝) )电容电容 可以是双电层电容量的可以是双电层电容量的1010100100倍。倍。 超级电容器的大容量和高功率充放电就是由 这2种原理产生的。充电时,依靠这2种原理储存电 荷,实现能量的积累;放电时,又依靠这2原理,实现 能量的释放。 因此,制备高性能的超级电容器有2个途径: 一是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容 量;二是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率, 从而提高准电容容量。但实际上对一种电极材料 而言,这2种储能机理往往同时存在,只不过是以何 者为主而已 2 2、性能特点、性能特点- -介于电池与物理电容器之间介于

7、电池与物理电容器之间 性性 能能 铅酸电池铅酸电池 超级电容器超级电容器 普通电容器普通电容器 充电时间充电时间 1-51-5小时小时 0.0.3-3-若干秒若干秒 1010-3 -310 10-6 -6秒 秒 放电时间放电时间 0.3-30.3-3小时小时 0.0.3-3-若干秒若干秒 1010-3 -310 10-6 -6秒 秒 比能比能WhWh/kg 30- 40 /kg 30- 40 1- 201- 20 10000 100000 100000 比功率比功率W/kg 1000 0.95 3、超级电容器的优点 1. 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。 2.

8、极长的充放电循环寿命，其循环寿命可达 万次以上。 3非常短的充电时间，在0.1-30s即可完成 。 4解决了贮能设备高比功率和高比能量输出 之间的矛盾，将它与蓄电池组合起来，就会成 为一个兼有高比功率输出的贮能系统。 5贮能寿命极长，其贮存寿命几乎可以是 无限的。 6高可靠性。 二、超级电容器二、超级电容器 技术及电极材料技术及电极材料的的进展进展 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料超级电容器的核心超级电容器的核心 2 2、准电容储能材料、准电容储能材料 3 3、高性能电解质溶液、高性能电解质溶液 4 4、以减轻重量为中心的结构设计、以减轻重量为中心的结构设计 1 1、多孔电容炭材料、多孔

9、电容炭材料 性能要求性能要求 1 1、高高比表面比表面 1000 1000mm 2 2 /g /g 理论比电容理论比电容 250 250 F/gF/g 2 2、高高中孔孔容中孔孔容 1212 4040 400400 l/gl/g， 大于大于4040 的孔容的孔容 5050 l/gl/g， 3 3、高高电导率电导率 4 4、高高的堆积比重的堆积比重 5 5、高高纯度纯度 灰份灰份 0.1% 0.1% 6 6、高高性价比性价比 7 7、良好良好的电解液浸润性的电解液浸润性 各指 标间 相互 矛盾 二、技术及电极材料二、技术及电极材料的的进展进展 v 已研制的电容炭材料已研制的电容炭材料 活性炭（粉

10、、纤维、布）活性炭（粉、纤维、布） 应用最多的电极材料应用最多的电极材料 纳米碳管纳米碳管 碳气凝胶碳气凝胶 活化玻态炭活化玻态炭 纳米孔玻态炭纳米孔玻态炭 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 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 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 含氧官能团越多，导电性越差。含氧官能团越多，导电性越差。 羧基羧基浓

11、度越大，漏电电流越大，储存性能浓度越大，漏电电流越大，储存性能 越差。越差。 羧基羧基浓度越高，静态电位越高，越易析氧 ，电极越不稳定。 处理炭表面官能团，提高性能处理炭表面官能团，提高性能 活性炭表面官能团的作用活性炭表面官能团的作用 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 增加电导率和密度，增加电导率和密度， 减少表面官能团，也减小比表面、比容量减少表面官能团，也减小比表面、比容量 。 适宜的适宜的高温处理，可提高大电流下高温处理，可提高大电流下体积比容体积比容 量量。 进行进行二次活化可二次活化可提高比表面提高比表面- -重量比容量重量比容量。 高温处理的影响 1 1、多孔电容炭材料、多

12、孔电容炭材料 活性炭纤维的研究新例 纺丝原料的“掺杂” 1、过渡金属螯合物 活化催 化剂 2、低分解点、低残炭量共聚 物 3、纳米材料 炭黑等 酚醛树脂纤维和布 炭化、活 化 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 生产用粉状活性炭性能的比较生产用粉状活性炭性能的比较 KOHKOH电解液体系电解液体系 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 有机电解液电容炭性能比较有机电解液电容炭性能比较 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 碳纳米管 特点特点 1 1、导电性好，比功率高、导电性好，比功率高 2 2、比表面小，比容量低、比表面小，比容量低 3 3、成本高、成本高 作为添加剂使用作为添加剂使

13、用 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 碳气凝胶电子导电性好 R+F以Na2CO3催化热凝 凝胶 丙酮置 换 无水凝胶 液体CO2置换 超临界干 燥 RF-气凝胶 炭化 碳气凝胶 电容器产品性能：电容器产品性能：功率功率 4000 W/kg4000 W/kg，能量能量 1 1 WhWh/kg/kg 缺点缺点：制备费力制备费力 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 玻态炭 电导率高，机械性能好； 结构致密，慢升温制作难，价贵。 只能表层活化 多孔碳层 厚1520 um 多孔碳层的电导率高， 多孔碳层比功率18kW/L 但电容器的比能量很低（0.07Wh/L） 玻态炭玻态炭 纳米孔玻态炭纳米

14、孔玻态炭 活性玻态炭活性玻态炭 整体多孔整体多孔，比能量提高比能量提高 快速升温炭化快速升温炭化，成本大降成本大降 纳米孔玻态炭纳米孔玻态炭 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 纳米孔玻态炭与碳气凝胶性能 比较 项项目纳纳米孔玻态态炭碳气凝胶 （美国） 比表面积积m2/g80019004001000 电导电导 率S/cm760540 电电极密度 g/cm3 0.730.70 最佳比容量F/g230170 制备备条件常规规方法、简单简单 方 便 超临临界干燥周 期长长、费费用高 1 1、多孔电容炭材料、多孔电容炭材料 2 2、准电容储能材料、准电容储能材料 对金属化合物的性能要求对金属化合物

15、的性能要求： 1 1、高比表面、高比表面 多孔，高比能量多孔，高比能量 2 2、低电阻率、低电阻率 高比功率高比功率 3 3、化学稳定性、化学稳定性 长寿命长寿命 4 4、高纯度高纯度 减少自放电减少自放电 5 5、价格低、价格低 便于推广应用便于推广应用 二、技术及电极材料二、技术及电极材料的的进展进展 2、准电容储能材料 a. 贵金属 v 贵金属RuO2电容性能研究 使用硫酸电解液；容量高， 功率大，成本高。 热分解氧化法380F/g 溶胶-凝胶法 768F/g vv 添加添加WW、CrCr、MoMo、V V、TiTi等的氧化物等的氧化物 降低成本降低成本 复合后性能高：复合后性能高： WOWO 3 3 / /RuORuO 2 2 比容量高达比容量高达560F/g560F/g Ru Ru1-y 1-yCr Cr