超级电容器简介ppt课件

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1、高等物理化学高等物理化学电子子课件件兰州理工大学石油化工学院州理工大学石油化工学院 超超级电容器容器简介介-超超级电级电容器容器 SupercapacitorSupercapacitor是介于是介于电电容器和容器和电电池之池之间间的的储储能器件，它既具有能器件，它既具有电电容器可以快容器可以快速充放速充放电电的特点，又具有的特点，又具有电电池的池的储储能特性。能特性。超级电容（supercapacitor），又叫双电层电容(Electrical Doule-Layer ）、即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。其储能过程是物理过程，没

2、有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。一、超、超级电容器的基本原理容器的基本原理-根据存储电荷的机理,超级电容器分为双电层电容器(Electrical Double LayerCapacitor, EDLC)和准电容器(Pseudocapacitor赝电容器)。双电层电容器利用电极材料和电解质界面形成的电荷分离存储电荷,而赝电容器是利用电化学活性物质的二维或准二维空间发生的吸脱附或电化学氧化还原反应来存储电荷,从而,赝电容可以分为吸附赝电容和氧化还原赝电容(Faradic supercapacitor)。双电层电容器的储能机理本质上与静电容器一致,其依靠材料表面电子和溶液中

3、等量离子在电极材料/电解液界面的分离储存电量。通常电极材料采用高比表面积炭材料,具有较高的比表面积(高达2000 m2 /g),远大于电解电容器电极的比表面积,-双电层电极、溶液界面结构示意图Struture diagram of the interface between electrode and electrolyte-双双电层原理示意原理示意图充电时,外电源使电容器正负极分别带正电和负电,而电解液中的正负离子分别移动到电极表面附近,形成双电层,整个双电层电容器实际上是两个单双电层电容器的串联装置。-双电层电容器充电状态电位分布曲线Profile of the potential acr

4、oss 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 in the discharged condition-n法拉第准(赝)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发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原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。n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

5、: （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。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法拉第准(赝)电容容。 法法拉拉第第准准( (赝赝) )电电容容不不仅仅只只在在电电极极表表面面, ,而而且且可可在在整整个个电电极极内内部部产产生生, ,因因而而可可获获得得比比双双电电层层电电容容更更高高的的电电容容量量和和能能量量密密度度。在在相相同同电电

6、极极面面积积的的情情况况下下, ,法法拉拉第第准准( (赝赝) )电电容可以是双容可以是双电层电电层电容量的容量的1010100100倍。倍。-赝电容根据电极反应的不同,分为吸附电容和氧化还原赝电容吸附赝电容是指电化学活性物质在基底电极上发生二维/准二维的电化学吸脱附,表现出电容性质。如H+在Pt电极表面的吸脱附反应氧化还原赝电容即法拉第赝电容是指活性电极材料发生氧化还原反应表现出来的电容特性,主要包括过渡金属氧化物和导电聚合物。双电层电容器存储的电荷与它的电容和电压相关 Q=CV，电容和电压是独立的，但取决于电极的表面积，双电层的厚度和电解液的介质常数。根据双电层电容器所需设备的性能或是使用

7、的电解液选择电极材料。活性炭是双电层电容器传统的电极材料法拉第赝电容来源于电极-电解液界面快速可逆的氧化还原反应一方面要求法拉第反应有足够的活性位点；另一方面要求有足够多的电解质离子和电子参与法拉第反应。对于第一方面的要求，具有高比表面积的赝电容电极材料通过尺寸纳米化或表面造孔将满足要求；对于后者，通过制备更多层次具有良好电导率以及孔隙率的电极材料从而使电解质离子能够扩散和接触更多的电化学位点。法拉第赝电容电极材料主要包括过渡金属氧化物和导电聚合物-因此因此, ,制制备高性能的超高性能的超级电容器有容器有2 2个途径个途径: :一一是增大是增大电极材料比表面极材料比表面积, ,从而增大双从而增

8、大双电层电容量容量; ;二是提高二是提高电极材料的可逆法拉第反极材料的可逆法拉第反应的机率的机率, ,从而提高准从而提高准电容容量。容容量。但但实际上上对一种一种电极材料而言极材料而言, ,这2 2种种储能机理往往能机理往往同同时存在存在, ,只不只不过是以何者是以何者为主而已主而已 超超级电超超级电容器的大容器的大容量和高功率充放和高功率充放电就是由就是由这两种原理两种原理产生的。生的。充充电时, ,依靠依靠这两种原理两种原理储存存电荷荷, ,实现能量的能量的积累累; ;放放电时, , 实现能量的能量的释放。放。- 二、超二、超级电容器的基本分容器的基本分类超超级电级电容容储储能机制可分能机

9、制可分为为： 双双电层电电层电容容- -电电极表面与极表面与电电解液解液间间双双电层储电层储能。能。 准准电电容容- -电电极表面快速的氧化极表面快速的氧化- -还还原反原反应储应储能。能。相相应应的两的两类电类电极极根据电极材料-组组成三种成三种电电容器容器 双双电层电电层电容器容器 （碳材料超级电容器）正、正、负负极极多孔炭多孔炭 准准电电容器容器 正、正、负负极极金属化合物、石墨、金属化合物、石墨、 导电导电聚合物。聚合物。 混合材料混合材料电电容器容器 电压电压、能量密度高、能量密度高按照电解液分,分为水溶液电解液超级电容器和有机电解液超级电容器。根据结构分为对称型电容器(Symmet

10、ricCapacitor)和混合型超级电容器(Hybrid Capacitor)。-三、超级电容器的性能特点介于介于介于介于电电池与物理池与物理池与物理池与物理电电容器之容器之容器之容器之间间-优点 1. 高功率密度高功率密度，输出功率密度高达数KW/kg，一般蓄电池的数十倍。 2. 2. 极极长的充放的充放电循循环寿命寿命，其循环寿命可达万次以上。 3非常短的充非常短的充电时间，在0.1-30s即可完成。 4解决了解决了贮能能设备高比功率和高比能量高比功率和高比能量输出之出之间的矛盾的矛盾，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贮能寿命极能寿命极长，其贮存寿命几乎

11、可以是无限的。 6高可靠性高可靠性。-四、超级电容器技技术及及电极材极材料的料的进展展1、多孔、多孔电电容炭材料容炭材料超超超超级电级电容器的核心容器的核心容器的核心容器的核心2 2、准、准电电容容储储能材料能材料3 3、高性能、高性能电电解解质质溶液溶液4 4、以减、以减轻轻重量重量为为中心的中心的结结构构设计设计-法拉第赝电容的电极材料主要包括过渡金属氧化物材料和导电聚合物材料，过渡金属氧化物电极的电容来源于氧化还原反应，比电容远高于双电层的比电容，过渡金属氧化物电极材料的导电性差，在过渡金属氧化物中例如 MnO2和 NiO 等它们差的导电性阻碍了它们作为超级电容器电极材料的应用。导电聚合

12、物当氧化反应发生时，离子转移到聚合物骨架；当还原反应发生时，离子从聚合物骨架中转移到电解液中，导电聚合物的氧化还原反应在聚合物的整体中进行，不仅局限于表面。然而，导电聚合物存在循环稳定性差的问题，在长时间的循环测试中导电聚合物会发生收缩和溶胀，影响其循环寿命。研究人员通过复合的方式在具有高比表面积和良好导电性以及多孔的碳材料表面负载过渡金属氧化物，制备了具有多层次结构的碳基复合材料。通过这种方式提高了赝电容电极材料的利用率，改善了复合材料的性能。 活性炭是双活性炭是双电层电容器容器传统的的电极材料，石墨极材料，石墨结构的构的导电炭、碳化物的衍炭、碳化物的衍生碳、碳生碳、碳纳米管、炭黑和石墨米管

13、、炭黑和石墨烯等各种各等各种各样不同不同结构的碳在双构的碳在双电层电容器容器中的中的应用也越来越广泛。用也越来越广泛。 -1 1、多孔、多孔、多孔、多孔电电容炭材料容炭材料容炭材料容炭材料 性能要求性能要求1 1、高比表面、高比表面 1000m 1000m2 2/g /g 理理论论比比电电容容 250 F/g 250 F/g 2 2、高中孔孔容、高中孔孔容 1212 4040 400400 l/gl/g， 大于大于4040 的孔容的孔容 5050 l/gl/g，3 3、高、高电导电导率率4 4、高的堆、高的堆积积比重比重 5 5、高、高纯纯度度 灰份灰份 0.1% 0.1%6 6、高性价比、高

14、性价比7 7、良好的、良好的电电解液浸解液浸润润性性各指各指标间相互相互矛盾矛盾-v 已研制的已研制的电电容炭材料容炭材料活性炭（粉、活性炭（粉、纤维纤维、布）、布） 应应用最多的用最多的电电极材料极材料纳纳米碳管米碳管碳气凝胶碳气凝胶活化玻活化玻态态炭炭 纳纳米孔玻米孔玻态态炭炭-活性炭活性炭n优势：（1 1）成本）成本较低；低； （2）比表面）比表面积高；高；（3）实用性用性强； （4）生）生产制制备工工艺成熟；成熟；（5 5）高比）高比容量，最高达到容量，最高达到500F/g，一般，一般200F/g。n性能影响因素：性能影响因素： （1 1）炭化、活化条件，高温）炭化、活化条件，高温处理

15、；理；（2 2）孔分布情况；）孔分布情况；（3 3）表面官能）表面官能团 （4 4）杂质。n研究研究趋势： 材料复合、降低成本材料复合、降低成本- 含氧官能含氧官能团团越多，越多，导电导电性越差。性越差。羧羧基基浓浓度越大，漏度越大，漏电电电电流越大，流越大，储储存性能越差。存性能越差。 羧羧基基浓度越高，静态电位越高，越易析氧，电极越不稳定。处处理炭表面官能理炭表面官能团团，提高性能，提高性能活性炭表面官能活性炭表面官能团团的作用的作用 增加增加电导电导率和密度，率和密度， 减少表面官能减少表面官能团团，也减小比表面、比容量，也减小比表面、比容量 。适宜的高温适宜的高温处处理，可提高大理，可

16、提高大电电流下体流下体积积比容量。比容量。 进进行二次活化可提高比表面行二次活化可提高比表面- -重量比容量。重量比容量。 高温处理的影响-碳气凝胶碳气凝胶电子子导电性好性好电电容器容器产产品性能：品性能：功率功率 4000 W/kg4000 W/kg，能量，能量 1 Wh/kg 1 Wh/kg 优点：中孔发达、电导率高不足：比表面积低、制备工序复杂发展趋向：非超临界干燥、活化提高比电容-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）玻玻态态炭炭纳纳米

17、孔玻米孔玻态态炭炭活性玻活性玻态态炭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-纳米孔玻米孔玻态炭炭与与碳气凝胶碳气凝胶性能比性能比较 项项目目目目纳纳米孔玻米孔玻米孔玻米孔玻态态炭炭炭炭碳气凝胶碳气凝胶碳气凝胶碳气凝胶（美国）（美国）（美国）（美国）比表面比表面比表面比表面积积 mm2 2/g/g 8001900800190040010004001000电导电导率率率率 S/cmS/cm 760760540540电电极密度极密度极密度极密度 g/cmg/cm3 3 0.730.730.700.70最佳比容量最佳比容量最佳比容量最佳比容量 F/gF/g

18、230230170170制制制制备备条件条件条件条件常常常常规规方法、方法、方法、方法、简单简单方便方便方便方便超超超超临临界干燥周界干燥周界干燥周界干燥周期期期期长长、费费用高用高用高用高-碳纳米管特点特点 1 1、导电导电性好，比功率高性好，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、成本高作作为为添加添加剂剂使用使用-2 2 2 2、准、准、准、准电电容容容容储储能材料能材料能材料能材料对金属化合物的性能要求：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、低电电阻率阻率 高比功率高比功率 3 3、化学、化学稳稳定性定性 长长寿命寿命4

19、4、高、高纯纯度度 减少自放减少自放电电5 5、价格低、价格低 便于推广便于推广应应用用-1.a 贵金属金属v 贵贵金属金属金属金属RuORuO2 2电电容性能研究容性能研究容性能研究容性能研究 使用硫酸使用硫酸电解液；容量高，功率大，成本高。解液；容量高，功率大，成本高。 热分解氧化法分解氧化法380F/g 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 768F/g n n添加添加添加添加WW、CrCr、MoMo、V V、TiTi等的氧化物等的氧化物等的氧化物等的氧化物n n 降低成本降低成本n n 复合后性能高：复合后性能高：n n WO3WO3/ /RuO2RuO2比容量高达比容量高达560F/g560F/g

20、n n Ru1-yCryO2 Ru1-yCryO2 xH2OxH2O比容量高达比容量高达840F/g 840F/g n n 活性炭上沉活性炭上沉积积0.4mm0.4mm无定形无定形钌钌膜达到膜达到900F/g900F/g -b、廉价金属取代、廉价金属取代贵金属金属v MnO2材料材料 溶胶溶胶-凝胶法制得凝胶法制得MnO2水合物在水合物在KOH溶液中比容量溶液中比容量为689F/g。v NiO材料材料 溶胶溶胶-凝胶法制得多孔凝胶法制得多孔NiO比容量比容量265F/g。 北航做北航做纳米米Ni(OH)2容量容量500F/g以上。以上。 Ni(OH)2干凝胶容量干凝胶容量900F/g。2 2、

21、准、准电电容容储储能材料能材料v 多孔多孔多孔多孔V V2 2OO5 5水合物比容量水合物比容量350 F/g（在（在KCl溶液）。溶液）。v CoCo2 2OO3 3干凝胶干凝胶干凝胶干凝胶比容量比容量291F/g（KOH溶液中）。溶液中）。 v -Mo-Mo2 2NN比容量比容量203F/g。-金属氧化物研究重点 :提高容量利用率方法 :将材料纳米化，纳米尺寸，纳米孔结构与高电导率、高比表面积的各种多孔炭材料复合-v 研究情况研究情况： 聚苯胺、聚聚苯胺、聚对苯、聚并苯、聚吡咯、聚苯、聚并苯、聚吡咯、聚噻吩、吩、 聚聚乙炔、聚乙炔、聚亚胺胺酯v 性能特点性能特点： 可快速充放可快速充放电、

22、温度范、温度范围宽、不、不污染染环境境 ； 稳定性、循定性、循环性性问题。c、导电聚合物导电聚合物研究重点 :提高容量利用率改善循环性能方法 :将材料纳米化，纳米尺寸，纳米孔结构与高电导率、高比表面积的各种多孔炭材料复合-3 3 3 3、高性能、高性能、高性能、高性能电电解解解解质质溶液溶液溶液溶液v 性能要求：性能要求： 分解分解电压电压要高；要高； 电导电导率要高；率要高； 电电解液的解液的浓浓度大；度大； 电电解液的浸解液的浸润润性好；性好； 电电解液解液纯纯度高；度高； 不与不与电电极反极反应应； 使用温度范使用温度范围围要要宽宽。碳是双电层电容器理想的电极材料，在水溶液和非水溶液理想

23、极化的条件下电压分别为 1 V 和 3.5 V-v 电电容器容器电电解解质质： 水溶液：酸性体系水溶液：酸性体系硫酸硫酸 碱性体系碱性体系氢氢氧化氧化钾钾 有机有机电电解液：解液：EtEt4 4NBFNBF4 4/PC/PC（小型（小型电电容器，高温性能好）容器，高温性能好） EtEt4 4NBFNBF4 4/AN/AN（大型，大功率、低温）（大型，大功率、低温） LiAlClLiAlCl4 4/SOCl/SOCl2 2 季磷季磷盐盐( R( R4 4P P+ +) )电导电导率高、率高、电电化学化学稳稳定性好，可以提高定性好，可以提高电电容容器的分解器的分解电压电压 ( (达达5.45.45

24、.5 V)5.5 V)。 。 固体固体电电解解质质： LiLi CF3SO2CF3SO2 2 2N/PEO N/PEO 、RbAgRbAg4 4I I5 5 -4. 4. 以减以减轻重量重量为中心的中心的结构构设计n 电极极设计、封装、封装设计、特殊用途、特殊用途设计： 卷卷绕式式 平板式平板式 （单体体内并内并结构）构） 双极性双极性结构构（单体体内串内串结构）构）n 软包装的包装的应用用n 模模块化、独立功能化化、独立功能化设计。 -v 19541954年年第一份超第一份超级电级电容器的容器的专专利利vv 小尺寸超小尺寸超级电级电容器：容器： 19781978年，年， 松下，松下，Gold

25、capGoldcap牌，最早牌，最早产产品；品； 19801980年，年，NECNEC公司；公司； 8080年代末，年代末，ELNAELNA公司；等。公司；等。五、五、 超超级电容器容器发展展简介及介及应用用v 2020世世纪纪8080年代末年代末 ，由于，由于电动电动汽汽车发车发展的需要，大尺寸超展的需要，大尺寸超级电级电容器的容器的研制成研制成为热为热点。点。 俄、欧、美、日等国列入国家研究俄、欧、美、日等国列入国家研究计计划。划。 美国美国SurpercapacitorSurpercapacitor Symposium Symposium；从；从19911991年起，每年都年起，每年都举

26、办举办一次国一次国际际性的超性的超级电级电容器研容器研讨讨会；会； 美国能源部制定了超美国能源部制定了超级电级电容器的近期、中容器的近期、中期、期、长长期的研究目期的研究目标标。 日本日本设设立新立新电电容器研究会；容器研究会； 将超将超级电级电容器研究列入容器研究列入“ “新阳光新阳光” ”计计划。划。欧盟欧盟组织电动车组织电动车超超级电级电容器的研制容器的研制。- 我国从我国从9090年代开始研制超年代开始研制超级电级电容器及其容器及其电电极材料。极材料。超超级电级电容器及其关容器及其关键键材料的研制已材料的研制已纳纳入入“ “十五十五” ”、 “ “十一五十一五” “” “863”863

27、”计计划中的部分划中的部分专项专项和主和主题题： 电动车专项电动车专项 纳纳米材料米材料专项专项 特种功能材料技特种功能材料技术术主主题题，等，等 投入力度投入力度与国外相比与国外相比还还有很大差距有很大差距 -小型超级电容器 各种微处理机 玩具车 闪光灯 电动手工具大型超级电容器 各种交通工具 电网UPS 医院手术室 核反应堆控制 防护设备 航空通讯设备 无线电通讯系统 电力高压开关的分合闸操作 电阻焊机及科研测试设备等超超级电容器的容器的应用用 单独使用、复式独使用、复式电源源-小小型型超超级电容容器器用途：用途：小小电流流长时间放放电领域：域：1. 各种微各种微处理机的理机的备用用电源和

28、源和辅助助电源（如磁源（如磁带录像机、空像机、空调机、机、洗衣机的控制微洗衣机的控制微电脑）。）。 2. 快充慢放快充慢放电玩具玩具车，闪光灯，手工具光灯，手工具。超超级电容器容器- 中中型型超超级电容容器器用途：用途：多用于大多用于大电流的短流的短时放放电领域：域：在有在有记忆储存功能的存功能的电子子产品中做后品中做后备电源，注重数据保源，注重数据保护和和备份，份， 适用于适用于带CPUCPU的智能家的智能家电、工控、工控、仪器器仪表和通表和通讯领域中。域中。超超级电容器容器-大大型型超超级电容容器器组超超级电容器容器用途：用途：储能使用能使用领域：域：电动汽汽车和混合和混合电动汽汽车做做动

29、力源力源 太阳能太阳能储能方面能方面 军事事领域域-Supercapacitor 100 kW UPS by Sizuki Electric四、超四、超级电级电容器的容器的应应用用-上海电容公交车四、超四、超级电级电容器的容器的应应用用-HONDA燃料电池/超级电容器小轿车1 回收能量2 辅助启动3 稳定电源-日产汽车公司2002年推出的超级电容器混合电动卡车四、超四、超级电级电容器的容器的应应用用- 美国宇航局美国宇航局(NASA)(NASA)发明的一种便携式明的一种便携式电化学化学电容器，容器，可供可供应大大电流脉冲流脉冲( (瞬瞬间电流流600-800A)600-800A)，其特点，其特

30、点为高效、高效、长寿命、寿命、全固全固态离子体材料离子体材料，无酸碱介无酸碱介质。-五、超级电容器面临的问题1. 1.动动力型力型锂锂离子离子电电池的池的 威威胁胁 比能量大，比功率向比能量大，比功率向3000W/kg3000W/kg前前进进，是否会取代超，是否会取代超级电级电容器？容器？ 各展所各展所长长，相互，相互补补充。充。 进进一步提高超一步提高超级电级电容器性能，容器性能，发挥发挥其特其特长长. .-2 2、超、超级电级电容器如何容器如何发发展？展？ 探索新材料、新体系探索新材料、新体系 （1 1）高能量密度超）高能量密度超级电级电容器容器v 有机电解液双电层电容器 研制高比容量炭电极材料； 研制电压窗口宽的电解液体系； 缩体减重的电容器制备工艺。-比能量：75 wh/kg （电极材料）最大比功率：5 Kw/kg工作电压：3.8V “Nanogate Capacitor”JEOL（日本）-（2 2）混合）混合电电容器体系容器体系 发展高比表面的纳米金属氧化物（或氮化物）准电容储能的电极材料； 复合金属化合物； 嵌入式化合物作为准电容储能材料。-