活性炭超级电容器的电化学行为

超级电容器电极材料——活性炭碳材料由于具有成本低､⽐表⾯积⼤､孔隙结构可调､制备电极的⼯艺简单等特点,在研究EDLC的开始,⼈们就考虑使⽤碳材料作为其电极材料｡⽬前,应⽤于 EDLC的碳材料主要有活性炭､碳纳⽶管和炭⽓凝胶｡活性炭(activated carbon,AC)是EDLC使⽤最多的⼀种电极材料,它具有原料丰富､价格低廉､成形性好､电化学稳定性⾼､技术成熟等特点｡活性炭的性质直接影响EDLC的性能,其中最为关键的⼏个因素是活性炭的⽐表⾯积､孔径分布､表⾯官能团和电导率等｡⼀般认为活性炭的⽐表⾯积越⼤,其⽐电容就越⾼,所以通常可以通过使⽤⼤⽐表⾯积的活性炭来获得⾼⽐电容｡但实际情况却复杂得多,⼤量研究表明,活性炭的⽐电容与其⽐表⾯积并不呈线性关系,影响因素众多｡实验表明,清洁⽯墨表⾯的双电层⽐容为 20µF/cm2左右,如果⽤⽐表⾯积为2860m2/g的活性炭作为电极材料,则其理论质量⽐容应该为572F/g,然⽽实际测得的⽐容仅为130F/g,说明总⽐表⾯积中仅有22.7%的⽐表⾯积对⽐容有贡献｡国际纯粹与应⽤化学联合会(IUAPC)将多孔材料的孔隙分为微孔( <2nm)､中孔(2～50nm)和⼤孔(>50nm)三类｡EDLC主要靠电解质离⼦进⼊活性炭的孔隙形成双电层来存储电荷,由于电解质离⼦难以进⼊对⽐表⾯积贡献较⼤的､孔径过⼩的超细微孔,这些微孔对应的表⾯积就成为⽆效表⾯积｡所以除了⽐表⾯积外,孔径分布也是⼀个⾮常重要的参数,⽽且不同电解质所要求的最⼩孔径是不⼀样的｡Gsalirta等研究了⼏种不同孔结构的活性炭在LiCl､NaCl和KCl的⽔溶液及 LiBF4和 Et4NBF4的PC溶液中的双电层电容性能后证实了上述结论｡提⾼活性炭的⽐表⾯积利⽤率,进⽽提⾼其⽐容的有效⽅法是增⼤活性炭的中孔含量｡LeeJniwoo等运⽤模板法制备了⽐表⾯积为1257m2/g的中孔碳,其平均孔径为2.3nm,制成电容器后不论在⽔系还是有机电解质中其⽐容都明显⼤于分⼦筛炭｡另外,D.Y.Qu等的研究表明,增⼤中孔的含量,还可以明显提⾼EDLC的功率密度,因为孔径越⼤,电化学吸附速度越快,这说明孔径较⼤的碳材料能满⾜快速充放电的要求,适合制备⾼功率的电容器｡另外,孔径分布对EDLC的低温容量也有影响,具有更多纳⽶以上孔径的碳电极其低温容量减⼩得更慢｡通过电化学氧化､化学氧化､低温等离⼦体氧化或添加表⾯活性剂等⽅式对碳材料进⾏处理,可在其表⾯引⼊有机官能团｡⼤量研究表明,表⾯有机官能团对EDLC的性能有很⼤影响｡⼀⽅⾯,有机官能团可以提⾼电解质对碳材料的润湿性,从⽽提⾼碳材料的⽐表⾯积利⽤率,同时这些官能团在充放电过程中还可以发⽣氧化还原反应,产⽣赝电容,从⽽⼤幅度提⾼碳材料的⽐容｡A.Y.Rychagov的研究证明表⾯官能团的赝电容效应对⽐电容的贡献有时可达50%以上｡另⼀⽅⾯,碳材料表⾯官能团对电容器的性能也存在负⾯影响,研究表明碳材料表⾯官能团含量越⾼,材料的接触电阻越⼤,从⽽导致电容器的ERS也就越⼤;同时,官能团的法拉第副反应还会导致电容器漏电流的增⼤;另外,碳材料电极表⾯含氧量越⾼,电极的⾃然电位越⾼,这会导致电容器在正常⼯作电压下也可能发⽣⽓体析出反应,影响电容器的寿命｡活性炭的电导率是影响EDLC充放电性能的重要因素｡⾸先,由于活性炭微孔孔壁上的碳含量随表⾯积的增⼤⽽减少,所以活性炭的电导率随其表⾯积的增加⽽降低;其次,活性炭材料的电导率与活性炭颗粒之间的接触⾯积密切相关;另外,活性炭颗粒的微孔以及颗粒之间的空隙中浸渍有电解质溶液,所以电解质的电导率､电解质对活性炭的浸润性以及微孔的孔径和孔深等都对电容器的电阻具有重要影响｡总之,活性炭具有原料丰富､价格低廉和⽐表⾯积⾼等特点,是⾮常具有产业化前景的⼀种电极材料｡⽐表⾯积和孔径分布是影响活性炭电化学电容器性能的两个最重要的因素,研制同时具有⾼⽐表⾯积和⾼中孔含量的活性炭是开发兼具⾼能量密度和⾼功率密度电化学电容器的关键｡。

超级电容器的性能研究超级电容器的性能研究李宝华"周鹏伟康飞宇曾毓群StudiesofSuperCapacitorLiBaohua'ZhouPengwei'KangFeiyu'ZengYuqun摘要:本工作对超级电容器性能进行了研究.电化学测试发现有机体系超级电容器拥有良好的电化学性能.其能量密度可达6.8Wh/Kg,最高功率密度超过1000W/Kg,2.5万次充放电循环后容量保持率在70%以上,循环性能良好,充放电效率高,且内阻小.关键词:活性炭超级电容器比电容充放电特性一.前言超级电容器是一种新型的电化学能量储存和转换装置,与传统意义上的电容器相比有着更高的法拉第比电容量和能量密度;与蓄电池相比则具有功率密度,充放电时间短,循环性好,使用寿命长,便于维护等特点1-6J.从某种意义上可以说超级电容器有着传统电容器和电池的双重功能,其功率密度远高于普通电池,能量密度远高于传统电容,因而填补了这两个传统技术问的空白.超级电容器同时也可在极低温等极端恶劣的环境中使用,并且无环境污染.本工作使用成本较低的粉状活性炭作为电极原料,采用层叠制造技术制备了工作电压为2.8V有机体系超级电容器,并考察了电容器的实用性能,为电容器的实用化提供参考.二.实验1电极膜片的制备按照质量比80:10:10的比例称取活性炭粉,乙炔黑和粘结剂,干混后加入适量的溶剂,调节溶剂用量使得浆料达到合适的粘度要求,然后用磁力搅拌器搅拌一定时间,之后把浆料均匀涂覆于金属集电流体上,涂好后即放入70℃左右的烘箱中干燥,然后在对辊轧机上轧制,将所得到的电极体在裁切机上裁成所需形状与大小的电极膜片备用.2.超级电容器的结构及制造超级电容器的基本单元为:活性炭正,负电极膜片中间加隔离膜,注入1MEt4NBF4/PC(四乙基四氟化硼酸铵盐/碳酸丙稀酯)电解液,并紧紧挤压在一起.将多只基本单元的正极与正极,负极与负极相互连接组成大容量的片式并联结构超级电容器.3.超级电容器测试仪器超级电容器的电化学测量采用直流恒流循环法测定,测定工作使用美国Maccor公司的4通道MC-4型电化学工作站和Arbin公司生产的16通道超级电容器测试仪上完成.三.结果与讨论1.超级电容器1亘电流充放电性能图1,表1是2.8V/IOOF超级电容器在不同电流密度下的充放电性能,图1中在恒定电流充放电情况下,电压和时间呈良好的线性关系,这进一步说明对于多孔炭电极而言其在有机电解液体系以形成双电层电容为主,几乎不存在假电容的现象.在表1中当充放电电流为0.1A时,超级电容器的能量密度可达6.8Wh/Kg和11.7Wh/L;电流增至4.5A时能量密度仍可达4.6Wh/Kg和8.0Wh/L.作者简介:作者单位:i.清华大学深圳研究生院新材料研究所,广东省,深圳,518055;2东莞新能源电子科技有限公司,广东省,东莞市,523080电话:0755-********E—mail:libh自.CFI第一作者简介:李宝华,男,博士,清华大学深圳研究生院讲师,研究方向为能源与环境材料,主要包括新型炭材料,锂离子电池,超级电容器和燃料电池及其关键技术和部件.8m嬖Chargetime(S)图12.8v/100F超级电容器不同电流下充放电曲线表12.8V/100F超级电容器不同电流下放电性能2.超级电容器恒功率密度充放电性能早在1994年美国能源部就对商业化超级电容器性能指标提出了具体要求:能量密度和功率密度分别大于5Wh/Kg和1000W/Kg.国家"十五"863计划电动汽车重大专项也对电动车用超级电容器提出了功率密度大于1000W/kg和充放电寿命大于5万次的要求.直到目前为止研究者无法从国际市场上购买到能量密度和功率密度分别大于5Wh/Kg和1000W/Kg的超级电容器.3.交流阻抗谱(EIS)测试超级电容器的内阻,主要包括电解液本身电阻,活性炭电极固有电阻,集流体与活性炭的接触电阻三部分.图2所示为电容器的EIS图谱,频率范围10mHz～100kHz.从EIS图谱可以看到电容器R(Ohm)图2超级电容器的EIS图谱(频率范围为10mHz～100kHz)u_O-0500010000150002000025000Cyclenumbers图3超级电容器循环性能9在低频区具有双电层电容"弥散效应"的明显特征,内阻值仅为46mQ,符合电源的低内阻要求.在超级电容器的阻抗谱表征中,经常研究"拐点"频率的大小,因为这个频率点是两个电极过程的分界点.以拐点频率为界,高频区阻抗的实部代表了电解液离子渗入电极微孔的难易;低频区则是双电层的电容效应.拐点频率的高低受离子在电解液中迁移率的影响,即离子迁移速率越快,拐点频率越高;而迁移速率又受离子大小,电解液黏度以及隔膜厚度与离子通透性等各个因素的限制.4.超级电容器循环性能图3给出了超级电容器在高电流密度(20mA/cm)下的2.5万次循环性能.在测试过程中循环一段时间后,电容器由于自身发热温度升高,并且可逆放电容量下降;经略微休息,电容器温度降至室温后,继续进行充放电测试,电容器可逆容量略有反弹,但仍比最初容量低.在1万次循环,容量下降约20%之后,交叉进行充放电循环和休息,超级电容器容量衰减已经非常缓慢.容量的衰减一方面是由于电解液本身所含杂质和多孔炭所吸附的水份发生分解产生少量气体,电容器出现气胀,内阻增加,容量减少;另一方面在长期的充放电循环过程中电解液必然要发生老化,同样造成内阻增加,容量减少.其中第一个因素可以通过电解液的进一步纯化和对多孔炭电极高温真空干燥予以解决.由电容器充放电容量可以计算出电容器的充放电效率.图4中电容器首次循环的效率为77%,随着循环次数的增加,充放电效率逐渐增高并稳定,5次循环后达到97%以上,远高于电池的充放电效率,说明电容器是一种高效率电子装置.与蓄电池电池相比,双电层电容器的充放电容量较小,但充放电时间短,功率密度大,充放电效率高.O/clen1.J~b1....』t1II]一'.0500O1∞∞15000200∞250D0Cyclenumbers图4超级电容器循环效率变化四,结论1.有机电解液体系超级电容器的法拉第容量随电流密度的增大而略有降低,在小电流充电条件下,能量储存密度可达6.8Wh/Kg,充电电流增大45倍后,电容量保持率为81%.2.超级电容器最高功率密度超过1000W/Kg,2.5万次充放电循环后容量保持率在70%以上,循环性能良好,充放电效率高,且内阻小.参考文献【1】戴贵平,刘敏,王茂章,等.电化学电容器中炭电极的研究与开发I.电化学电容器【J】.新型炭材料,2002,17(1):71-79【2】刘辰光,刘敏,王茂章,等.电化学电容器中炭电极的研究与开发II.炭电极【J】_新型炭材料,2002,17(2):64.72【3】孟庆函.李开喜.宋燕.等.石油焦基活性炭电极电容特性研究【J】_新型炭材料,2001,16(4):18-21【4】何月德,刘洪波,张红波.活化剂用量对无烟煤基高比表面积活性炭电容特性的影响【J】_新型炭材料,2002,17(4):18-2210∞∞∞0—口/o一∞石亡石一.一l.[5】文越华,曹高萍,程杰,等.纳米孔玻态炭一超级电容器的新型电极材料I.固化温度对其结构和电容性能的影响[J].新型炭材料,2003,18(3):219-224[6】周鹏伟,李宝华,康飞宇.椰壳活性炭基超级电容器的研制与开发.新型炭材料,待发表.。

超级电容的原理和应用1. 什么是超级电容?超级电容（Super capacitors）是一种能够以高速存储和释放能量的电子元件，也被称为电化学电容器或电化学超级电容器。

与传统的电解质电容器相比，超级电容具有较高的电容密度和较高的能量密度。

2. 超级电容的原理超级电容的原理基于电荷的吸附和离子迁移。

它含有两个电极，通常是由活性炭构成的，电极之间通过离子导体（通常是电解质溶液）连接。

当施加电压时，正电荷聚集在一个电极上，而负电荷聚集在另一个电极上。

这个过程称为电荷的吸附。

然后，在需要释放能量时，电荷可以通过离子导体进行迁移，从而实现能量的存储和释放。

3. 超级电容的优点超级电容相比传统的电解质电容器有以下几个优点：•高能量密度：超级电容的能量密度比传统电容器高得多，使其适用于需要大量能量存储和释放的应用。

•长寿命：超级电容具有较长的循环寿命，可以进行数百万次的充放电循环，这使得它们在长期使用中更加可靠。

•快速充放电速度：超级电容可以以非常快的速度进行充放电，这使得它们在需要快速能量释放的应用中非常有用。

•宽工作温度范围：超级电容器的工作温度范围相对较宽，通常可以在-40°C至70°C的温度范围内正常工作。

4. 超级电容的应用超级电容在许多领域中都有广泛的应用，包括但不限于：4.1 能量回收和储存超级电容可以用于回收和储存电能，在能量恢复制动系统中被广泛使用。

例如，电动汽车的制动过程中产生的能量可以通过超级电容存储，并在需要时供给给车辆。

4.2 紧急电源超级电容可以作为应急电源，用于提供电力备份。

当主要电力供应中断时，超级电容可以提供持续稳定的电源，确保关键设备和系统的正常运行。

4.3 储能装置超级电容可以用于储能装置，例如可再生能源系统中的储能装置。

通过将可再生能源转化为电能并存储在超级电容中，可以在需要时释放出来，实现能源的可持续利用。

4.4 电动工具和设备超级电容可以用于电动工具和设备，如电动剪刀、电动工具和无线充电设备等。

实验报告超级电容器的制备与性能研究一、实验目的1、了解超级电容器的原理及应用2、掌握超级电容器的制备方法3、学习应用各种电化学方法研究超级电容器的电化学行为。

二、实验原理1、循环伏安测试对于双电层电容器，可以用平板电容器模型进行理想等效处理，根据平板电容容量计算公式：c=εS4πd（1）由上式可知，超级电容器的电容量与双电层的有效面积（S/m2）成正比，与双电层的厚度（d/m）成反比，对于活性炭电极，双电层有效面积与碳电极的比表面积及电极上的载碳量有关，双电层的厚度是受溶液中的离子的影响，因此，电极制备好以后，电解液确定，容量便基本确定了。

利用公式dQ=i d t和C=Q∕φ可得到：i=dQd t =C dφd t（2）因而，如果在电极上加上一个线性变化的电位信号时，得到的电流响应信号将会是一个不变的量，如果给定的电信号是一个三角波信号，电流信号将会是一个正电流信号或者一个负电流信号。

响应信号如图1（b）所示，响应信号在i-φ图中呈一个矩形。

由（2）式可知。

在扫描速度一定的情况下。

电极上通过的电流（i）是和电极容量（C）成正比关系的，也就是说对于一个给定的电极，通过对这个电极在一定扫描速率下进行循环伏安测试，研究电流变化就可以计算出电极的电容，继而进一步求出比电容：Cm=Cm =im dφd t=im V（3）2、恒电流充放电测试对于超级电容器，根据式（2）可知，采用恒电流进行充放电时，如果电容量C为恒电位，那么dφd t将会是一个常数，即电位随时间是线性变化的关系，也就是说理想电容器的恒流充放电曲线是一条直线。

可以利用恒流冲放电曲线来计算电极活性物质的比容量：Cm=i tdmΔV（4）式中，t d是放电时间，ΔV是放电电压降的平均值。

式中的ΔV是可以利用放电曲线进行积分计算而得出：ΔV=1(t1−t2)V d t21(5)实际在计算比容量时，常采用t1和t2时电压的差值作为平均电压降，对于单电极比容量，式（4）中的m为单电极活性物质的质量，若计算的是双电极比容量，m则为两个电极上活性物质的质量总和。

超级电容器工作原理超级电容器（Supercapacitor），也被称为超级电池、超级电容、超级电容器等，是一种具有高能量密度和高功率密度的电子元件。

它的工作原理是基于电荷分离和电化学反应。

一、电荷分离超级电容器由两个电极、电解质和隔离层组成。

电极通常由活性炭、金属氧化物或导电高分子材料制成。

当电容器处于未充电状态时，正负极之间的电荷是平衡的。

当外部电源连接到电容器的正负极上时，正极吸收电子，负极释放电子，从而导致电荷分离。

这种电荷分离的过程非常快速，使得超级电容器具有高功率密度。

二、电化学反应电解质在电荷分离的同时，也发生了电化学反应。

电解质通常是由溶液或凝胶形式的离子液体组成。

当电解质中的离子与电极接触时，发生电化学反应。

这个反应过程中，离子在电极表面形成了一个电化学双层，即电荷层。

电化学双层的形成使得超级电容器具有高能量密度。

三、储能和释能过程在充电过程中，外部电源通过正极将电子注入到电容器中，同时电解质中的离子也被吸附到电极表面。

这个过程中，电容器的电荷和能量都在增加。

在放电过程中，电容器的正负极之间的电荷流动，电解质中的离子回到溶液中。

这个过程中，电容器的电荷和能量都在减少。

超级电容器的充放电速度非常快，可以在几秒钟内完成。

四、优势和应用领域超级电容器具有以下优势：1. 高功率密度：能够在短时间内释放大量的能量，适用于需要高功率输出的应用，如电动汽车的启动。

2. 长寿命：相对于传统电池而言，超级电容器的循环寿命更长，可以进行数万次的充放电循环。

3. 快速充放电：充电和放电速度快，可以在短时间内完成储能和释能过程。

4. 宽温度范围：超级电容器的工作温度范围较广，适用于各种环境条件下的应用。

超级电容器在许多领域有广泛的应用，包括：1. 交通运输领域：用于电动汽车的启动、制动能量回收和辅助动力系统。

2. 工业领域：用于储能系统、UPS电源、电网稳定和峰值削减。

3. 可再生能源领域：用于储能系统，平衡可再生能源的不稳定输出。

炭材料在电化学应用中的研究进展炭材料是一种极其重要的材料，其具有多种功能，包括高导电性、高稳定性、优异的化学惰性和低比表面积等特点。

由于其电化学性质的优异性，炭材料在电化学应用方面具有广泛的用途，例如作为电极材料、催化剂和电解质等。

近年来，随着化学、物理和材料科学的发展，炭材料在电化学应用中的研究也取得了很大的进展。

本文将重点介绍炭材料在电化学应用中的研究进展，包括其在电池和超级电容器方面的应用。

一、炭材料在电池方面的应用1. 石墨烯材料电极石墨烯是一种具有单层结构的炭材料，其高导电性和高比表面积使得其成为电池材料的研究热点之一。

石墨烯材料电极在锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池等方面的应用均已得到了广泛的研究。

例如，石墨烯材料在锂离子电池中作为电极，其容量和循环寿命均得到了显著提高。

2. 碳纳米管材料电极碳纳米管材料是一类具有蜂窝结构的炭材料，其高比表面积和优异的电导率使之成为电池电极材料的研究热点之一。

碳纳米管材料在电极方面的应用主要涵盖锂离子电池、超级电容器和锂空气电池等方面。

例如，碳纳米管材料在超级电容器方面的应用具有高能量密度、高功率密度和快速充放电等特点。

3. 钛氧化物/炭复合材料电极钛氧化物/炭复合材料电极是一种新型的复合电极材料，其具有高比表面积、高电导率和优异的化学稳定性等优异性质。

钛氧化物/炭复合材料电极在锂离子电池和钠离子电池等方面的应用均已得到了广泛的研究。

例如，钛氧化物/炭复合材料电极在锂离子电池方面具有较高的容量和循环寿命。

二、炭材料在超级电容器方面的应用超级电容器是一种新型的电化学能量存储设备，其高功率密度和短充放电时间使之成为电源适应性较强的能量存储装置。

炭材料在超级电容器方面的应用主要涵盖活性炭、石墨烯和碳纳米管等材料。

1. 活性炭材料活性炭是最早被应用于超级电容器的炭材料之一，其具有优异的能量密度和高功率密度等优异性质。

活性炭材料在超级电容器方面的应用主要涵盖低温焚烧法活性炭和葡萄糖制备的活性炭等。

超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究超级电容器作为一种能够存储大量电能的新型电池，其电化学性能和高功率性能在目前的电子器件中得到了广泛的应用。

而超级电容器的性能和稳定性主要受制于电极材料的选择和制备方法。

因此，超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究成为目前材料化学研究的热点和难点之一。

超级电容器的电极材料可以分为碳基材料及金属氧化物材料两种类别。

碳基材料可以通过炭化、氧化石墨或活性炭等方法制备得到。

其中，活性炭是一种常用的碳基电极材料，其呈三维独立孔结构，具有较大的比表面积，因此具有良好的电容性能和高倍率放电能力。

此外，石墨烯也是一种常用的碳基电极材料，其呈二维层状结构，具有超高的比表面积和优异的电导率，能够有效地提高超级电容器的电池性能和循环寿命。

而金属氧化物电极材料也是超级电容器电极材料的一种常见类型。

它们通常由过渡金属氧化物、贵金属氧化物、铁氧化物及锰氧化物等材料组成，其中，九氧化二铝和锰氧化物是比较常用的金属氧化物电极材料。

九氧化二铝具有较高的比电容和较好的热稳定性，可以在高温环境中工作。

但是，它的电化学稳定性较差，循环寿命较短。

锰氧化物是一种新型金属氧化物电极材料，其优异的电容性能和高倍率放电能力得到了广泛的研究和应用。

锰氧化物可以通过合成流程中的物理和化学方法制备得到，如水热法、溶胶凝胶法、共沉淀法等。

在电极材料的制备过程中，其中的微观结构和形态也对电极材料的性能产生着很大的影响。

如锰氧化物的微观结构对超级电容器的电导率和电化学性能有重要的影响。

研究表明，锰氧化物的微观结构越完整，其电导率越高，因此能够更好地提高超级电容器的电容性能和稳定性。

除此之外，超级电容器电极材料的制备方法也是其电化学性能的重要影响因素之一。

传统的电极材料制备方法包括物理法、化学法和生物法。

而与此相比较，一些新型材料制备方法也在近年来得到了广泛的关注，如激光烧结法、电化学还原法、自组装法等。

这些新型制备方法可不仅可以提高材料的比表面积和孔结构的可控性，还能够制备出具有特殊形态结构的材料。

超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究1. 本文概述随着现代科技的发展，能源存储技术正面临着前所未有的挑战和机遇。

超级电容器作为一种重要的能源存储设备，因其高功率密度、快速充放电能力、长寿命周期和环境友好性而受到广泛关注。

在超级电容器的构造中，复合电极材料的研发尤为关键，其直接决定了超级电容器的电化学性能和整体效能。

本文旨在探讨超级电容器复合电极材料的制备方法及其电化学性能。

本文将对目前广泛研究的几种复合电极材料，如碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，进行系统的综述。

这些材料在超级电容器中的应用优势和面临的挑战将被详细讨论。

接着，本文将重点介绍几种创新的复合电极材料制备技术，包括化学气相沉积、水热合成、溶胶凝胶法等。

这些方法在制备过程中对材料结构和形貌的控制，以及对电化学性能的影响将被深入分析。

本文将通过实验数据，评估所制备的复合电极材料在超级电容器中的实际应用性能，包括比电容、能量密度、循环稳定性等关键指标。

通过这些研究，本文旨在为超级电容器复合电极材料的发展提供新的视角和技术路径，推动能源存储技术的进步。

2. 文献综述超级电容器，也称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的能量存储设备。

它们的主要特点是具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电能力。

超级电容器的储能机制主要是双电层电容，涉及电极材料与电解质之间的电荷分离。

这一领域的研究起始于20世纪50年代，随着材料科学和电化学技术的进步，超级电容器在能量存储领域的重要性日益凸显。

超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料的性质。

近年来，研究者们广泛关注复合电极材料，因其能够结合不同材料的优点，从而提高超级电容器的整体性能。

常见的复合电极材料包括碳基材料、金属氧化物、导电聚合物等。

这些材料通过不同的复合策略（如物理混合、化学接枝、层层自组装等）进行组合，旨在提高比电容、能量密度和循环稳定性。

电化学性能是评估超级电容器电极材料的关键指标。

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。

超级电容器工作原理在充电过程中，正极的电介质表面吸附了电荷，并将其转化为正离子。

电解质中的离子在电流的作用下向电极移动，被吸附在电介质表面上，并与电介质表面的离子形成电荷层。

负极也发生类似的过程，但是吸附的是负离子。

这样，两个电极上的电荷数量逐渐增多，并建立了一个电势差。

在放电过程中，两个电极之间建立的电势差会推动电荷从一个电极上释放，并通过外部电路传递到另一个电极上。

这个过程并不需要化学反应，而是仅仅依赖离子在电解质中的移动。

电介质的导电能力可以决定其放电速率。

一些超级电容器中使用了可导电的电解质，可以加快放电速率。

放电过程的速率可以操控，因此可以根据需要来释放储存的电荷。

与传统的电容器相比，超级电容器具有明显的优势。

传统电容器的存储能力是通过电场在两个金属板之间的储存电荷来实现的，因此依赖于金属板的面积和电介质材料的性质。

而超级电容器利用活性碳等材料的高比表面积，使得其能够存储更多的电荷。

此外，超级电容器的电荷和放电速率比传统电容器快得多，因为电解质中的离子可以更快地移动。

超级电容器的应用十分广泛。

由于其高能量密度和高功率密度，它们被用作备用能源存储器和快速充电装置。

例如，超级电容器可以用于车辆的起动系统和刹车能量回收系统。

此外，它们还可以用于提供瞬态功率，如激光器和电动工具等设备。

此外，超级电容器还被广泛应用于电子设备、通信系统以及再生能源领域，如风力发电和太阳能发电。

总之，超级电容器的工作原理基于电化学的原理，通过电解质中的离子在正负极之间的运动来存储和释放电荷。

其优势包括高能量密度、高功率密度和快速充放电速率，因此有着广泛的应用前景。

收稿日期:2005-11-21;　修回日期:2006-01-24　通讯作者:张　睿,E -m ail :zhangrui d av i d @ecus.t edu .cn ;凌立成,E -m a il :lch li ng @ecus.t 　作者简介:刘希邈(1977-),男,吉林人,博士研究生,主要从事超级电容器炭电极材料的研究。

E -m ail :liuxi m iao @s i na .com文章编号:　1007-8827(2006)01-0048-06超级电容器用沥青焦基活性炭的制备及其电化学性能刘希邈1,　詹　亮1,　滕　娜1,　杨登莲2　曾小春2,　张　睿1,　凌立成1(1.化学工程联合国家重点实验室,联合化学反应工程研究所,华东理工大学,上海　200237;2.新疆天富热电股份有限公司新疆石河子　832000)摘　要:　采用沥青焦为原料,制备了系列高比表面积活性炭作为超级电容器电极材料。

用直流循环充放电、循环伏安及交流阻抗等表征方法比较了沥青焦基超级活性炭和日本可乐丽公司YP 15活性炭的电化学性能。

实验结果表明在KOH 、H 2SO 4、(C 2H 5)4NBF 4/碳酸丙烯酯(Propylene carbona te PC )及(C 2H 5)4NBF 4/乙腈(A ce tonitrile )体系中,沥青焦基活性炭的比电容随比表面积增加,其最高值分别为257F /g 、228F /g 、140F /g 、142F /g ,均超过了日本活性炭。

沥青焦基活性炭电极在KOH 体系中的等效串联电阻的体积电阻率与日本炭相差不大;在H 2SO 4体系中的电阻率均小于日本活性炭;在碳酸丙烯酯体系中的电阻率均大于日本活性炭;在乙腈体系中,活化剂KOH 与沥青焦比例为4:1、经800℃活化3h 制备的活性炭的电阻率小于日本活性炭。

关键词:　超级电容器;循环伏安;交流阻抗;活性炭中图分类号:　TQ 522.65文献标识码:　A1　前言 超级电容器是一种介于电池和电容器之间的新型储能元件,分为法拉第准电容器和双电层电容器。

超级电容器材料的电化学性能研究超级电容器是一种高性能储能设备，具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电等优点，因此被广泛应用于电子、能源领域。

而超级电容器的性能取决于其材料的电化学性能。

一、电化学性能是超级电容器性能的关键指标之一。

电化学性能包括电容量、电压稳定性、容量稳定性和能量密度等方面。

电容量指的是超级电容器存储电荷的能力，通常用电容量密度来描述，单位为F/cm²。

电压稳定性则体现了超级电容器在外加电压下的稳定性能，即在不同电压下电荷的保持能力。

容量稳定性表示超级电容器在循环充放电过程中，电容量变化的程度。

能量密度是指单位体积或质量的超级电容器的能量储存量。

二、超级电容器材料的电化学性能研究是为了寻找或设计合适的材料以提高超级电容器的性能。

目前，研究人员主要关注以下几个方面。

1. 电极材料的选择：电极材料是超级电容器储能的关键组成部分，直接影响到超级电容器的性能。

目前常用的电极材料有活性碳、金属氧化物和导电高分子等。

活性碳具有高比表面积和良好的电化学性能，可以提高电容量密度和电压稳定性。

而金属氧化物和导电高分子具有更高的电容量和更长的循环寿命。

2. 电解质的选择：电解质是经常被忽视的关键组分，它可以影响超级电容器的充放电性能和循环寿命。

目前常用的电解质有有机电解质和固态电解质两种。

有机电解质具有良好的溶解性和高离子迁移率，但存在蒸发、燃烧和腐蚀等问题。

固态电解质具有较好的热稳定性和化学稳定性，但离子迁移率较低，导致电容量和功率密度有所降低。

因此，研究人员正在努力寻找新型的电解质材料，以兼顾电容量和离子迁移率。

3. 界面特性的研究：电极与电解质之间的界面特性对超级电容器的性能影响巨大。

界面电化学现象如离子吸附、双电层形成和界面电荷转移等可以储存和释放能量。

因此，研究人员通过修饰电极材料和优化电解质来改变界面特性，以提高超级电容器的性能。

4. 循环寿命的研究：超级电容器的循环寿命直接影响其实际应用。

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]。

一、实验目的1. 了解超级电容器的原理及结构；2. 掌握超级电容器的性能测试方法；3. 分析超级电容器的电化学特性；4. 评估超级电容器的实际应用价值。

二、实验原理超级电容器是一种新型电化学储能器件，具有高比电容、长循环寿命、快速充放电等优点。

其工作原理是基于电极/电解质界面形成的双电层，通过离子在电极/电解质界面上的吸附和脱附来储存和释放能量。

本实验主要研究超级电容器的比电容、充放电性能、循环寿命等电化学特性。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：（1）超级电容器电极材料：活性炭、金属氧化物等；（2）电解液：锂离子电池电解液；（3）集流体：铜箔、铝箔等；（4）隔膜：聚丙烯隔膜。

2. 实验仪器：（1）电化学工作站：用于测试超级电容器的充放电性能、循环寿命等；（2）扫描电子显微镜（SEM）：用于观察电极材料的形貌；（3）X射线衍射仪（XRD）：用于分析电极材料的晶体结构；（4）循环伏安仪（CV）：用于测试超级电容器的电化学特性。

四、实验步骤1. 电极材料的制备：将活性炭、金属氧化物等粉末与粘结剂混合，制成浆料，涂覆在集流体上，干燥后制成电极。

2. 超级电容器的组装：将制备好的电极、隔膜、集流体依次组装成超级电容器。

3. 性能测试：（1）充放电性能测试：在电化学工作站上，以不同电流密度对超级电容器进行充放电测试，记录充放电曲线。

（2）循环寿命测试：在电化学工作站上，以固定电流密度对超级电容器进行充放电循环，记录循环次数。

（3）电化学特性测试：在循环伏安仪上，以不同扫描速率对超级电容器进行循环伏安测试，分析其电化学特性。

五、实验结果与分析1. 充放电性能测试：图1为超级电容器的充放电曲线。

从图中可以看出，超级电容器的充放电曲线呈典型的电容曲线，具有较宽的充放电平台，说明其具有较大的比电容。

2. 循环寿命测试：图2为超级电容器的循环寿命曲线。

从图中可以看出，在固定电流密度下，超级电容器的循环寿命达到5000次以上，说明其具有较长的循环寿命。

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。

超级电容的容量比通常的电容器大得多。

由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也有称作“电容电池”。

超级电容属于双电层电容器,它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都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的容量。

超级电容器原理电化学双层电容器(EDLC)因超级电容器被我们所熟知。

超级电容器利用静电极化电解溶液的方式储存能量。

虽然它是一个电化学器件,但它的能量储存机制却一点也不涉及化学反应。

这个机制是高度可逆的,它允许超级电容器充电放电达十万甚至数百万次。

超级电容器可以被视为在两个极板外加电压时被电解液隔开的两个互不相关的多孔板。

对正极板施加的电势吸引电解液中的负离子,而负面板电势吸引正离子。

这有效地创建了两个电荷储层,在正极板分离出一层,并在负极板分离出另外一层。

传统的电解电容器存储区域来自平面,导电材料薄板。

高电容是通过大量的材料折叠。

可能通过进一步增加其表面纹理,进一步增加它的表面积。

过去传统的电容器用介质分离电极,这些介质多数为:塑料,纸或薄膜陶瓷。

电介质越薄,在空间受限的区域越可以获得更多的区域。

可以实现对介质厚度的表面面积限制的定义。

超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料。

这种材料的多孔结构,允许其面积接近2000平方米每克,远远大于通过使用塑料或薄膜陶瓷。

超级电容器的充电距离取决于电解液中被吸引到电极的带电离子的大小。

这个距离(小于10埃)远远小于通过使用常规电介质材料的距离。

巨大的表面面积的组合和极小的充电距离使超级电容器相对传统的电容器具有极大的优越性。

超级电容器内部结构超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。

由于制造商或特定的应用需求,这些材料可能略有不同。

所有超级电容器的共性是,他们都包含一个正极,一个负极,及这两个电极之间的隔膜,电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。

图1. 超级电容器结构超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。

石油焦活性炭的制备吸附应用及电化学性能研究石油焦活性炭是指通过碳化石油焦料而制得的一种高性能吸附材料。

它具有高孔隙结构和大比表面积，广泛应用于各个领域，包括环境保护、储能设备和电化学储能等。

本文将探讨石油焦活性炭的制备方法、吸附应用以及电化学性能研究。

石油焦活性炭的制备方法多种多样，但主要包括碱金属活化法、物理活化法和化学活化法。

碱金属活化法是指将碱金属溶液与石油焦料混合后在高温下反应，生成活性碳。

物理活化法则是通过高温炉熔化焦炭，然后与气体反应生成活性炭。

化学活化法则是在有机溶剂中将焦炭和催化剂共沉淀，经过高温处理后生成活性炭。

这些制备方法能够得到具有不同孔径和孔容的石油焦活性炭，以满足不同吸附应用的需求。

石油焦活性炭具有较高的吸附性能，可用于吸附废水中的重金属离子、颜料和有机化合物等。

石油焦活性炭的大孔和介孔结构提供了较大的吸附表面积，使其具有良好的吸附能力。

此外，活性炭还可通过表面修饰和改性来改善其吸附性能，如通过改变碳材料的孔径大小、表面活性基团和杂原子掺杂等手段来增强其吸附性能。

除了吸附应用，石油焦活性炭还在电化学储能领域展现出良好的性能。

活性炭具有高比表面积和较好的电导性能，使其成为一种理想的电极材料。

石油焦活性炭可用作超级电容器的电极材料，其高孔隙结构和大比表面积可增加电荷传输速率和电容量。

此外，石油焦活性炭还可用作锂离子电池和燃料电池等储能设备中的电极材料。

通过对石油焦活性炭的电化学性能研究，可进一步优化其电化学储能性能。

研究人员可以通过调控活性炭的孔隙结构、表面性质和电导率等来改善其储能性能。

例如，可以通过掺杂非金属元素或进行磷酸化处理来提高活性炭的电导率和离子传输速率。

此外，也可以通过纳米复合技术和负载其他活性物质等手段来提高电极材料的储能性能。

总结起来，石油焦活性炭是一种具有良好吸附性能和电化学储能性能的材料。

通过不同的制备方法和吸附应用，可以制备出具有不同孔隙结构和表面性质的活性炭材料。