下载文档原格式
超级电容器综述超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是一种新型储能器件，它利用电极/电解质交界面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化还原反应来储存能量。
超级电容器采用活性碳材料制作成多孔碳电极，同时在相对的多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别*正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别*到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层。
由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积），而且电解质与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度），所以这种双电层结构的超级电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。
目前国际上研究与发展的超级电容器可归为以下几类：●双层电容器（Double layer capacitor）由高表面碳电极在水溶液电解质（如硫酸等）或有机电解质溶液中形成的双电层电容，如图6-12.1所示。
该图还表示出一个典型双电层的形成原理，显然双电层是在电极材料（包括其空隙中）与电解质交界面两侧形成的，双电层电容量的大小取决于双电层上分离电荷的数量，因此电极材料和电解质对电容量的影响最大。
一般都采用多孔高表面积碳作为双层电容器电极材料，其比表面积可达1000－3000m2/g，比电容可达280F/g。
●赝电容器（Pseudo－capacitor）由电极表面上或者体相中的二维或准二维空间上发生活性材料的欠电位沉积，形成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，又称法拉第准电容；典型的赝电容器是由金属氧化物，如氧化钌构成的，其比电容高达760F/g。
但由于氧化钌太贵，现已开始采用氧化钴、氧化镍和二氧化锰来取代；●混合电容器（Hybrid capacitor）由半个形成双层电容的碳电极与半个导电聚合物或其他无机化合物的表面反应或电极嵌入反应电极等构成。
双电层超级电容器以及自放电性能研究发布时间：2021-09-15T08:15:56.221Z 来源：《中国电业》2021年14期作者：刘永久1 格根塔娜1 谷亮2[导读] 超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是一种新型储能器件刘永久1 格根塔娜1 谷亮2锦州凯美能源有限公司1 辽宁铁道职业技术学院2 辽宁省锦州市 121001一、引言超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是一种新型储能器件，它利用电极/电解质交界面上的双电层来储存能量。
超级电容器具有功率密度高、充放电循环寿命长、充电时间短、贮存寿命长、工作温度范围宽等优点。
超级电容器在充电之后的贮存过程中，存在漏电电流，形成自放电。
自放电又称荷电保持能力，它是指在开路状态下，电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。
自放电是决定超级电容器性能的一项关键指标，相较于化学储能，自放电大这一特性极大地阻碍了超级电容器市场应用的进一步推广，因此改善超级电容器自放电是目前我们迫切需要解决的一大难题。
用于改善超级电容器的方法主要从原材料和生产工艺入手，包括杂质含量，产品内部结构设计，过程干燥工艺的优化等。
因此，本文研究和讨论了在加工制作过程中，形成超级电容器自放电的原理和机理。
二、实验部分（一）实验材料及仪器设备实验所用主要材料为CMC，分散剂，乙醇，粘结剂，活性炭，导电炭黑，铝箔，电解液等。
（二）活性炭极片的制备1.用天平称取分散剂0.4g于小钢杯中，加水500g，用强力搅拌器快搅10min。
2.停止搅拌，加乙醇100g于小钢杯中，搅5min。
3.停止搅拌，加导电炭黑20g，快搅40min。
4.停止搅拌，加CMC 5g，搅10min。
5.停止搅拌，加活性炭200g，搅至成浆，需12h。
6.加SBR粘接剂 25g，搅2h。
7.涂布：将上述制备的浆料过滤，使用极片涂布机将调制好的浆料均匀涂覆在铝箔集流体上，涂布速度设为3.5 m/h，经100℃至120℃系列梯度升温烘箱适度烘干后卷绕在纸轴上成卷，极片厚度控制在120 ±3μm，150 ±3μm和180 ±3μm。
双电层超级电容器的能量存储机制研究超级电容器（supercapacitors）是一种新型的能量存储装置，具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快速充放电等优点。
在可再生能源、电动汽车、电子设备等领域中，超级电容器被广泛应用。
其中，双电层超级电容器是一种基于双电层电容效应工作的超级电容器。
双电层超级电容器的能量存储机制与传统电池不同。
传统电池通过化学反应来存储能量，而超级电容器则依赖电荷的吸附和离子在电解质中的迁移来储存能量。
该储能机制使超级电容器具有短充电时间、长循环寿命和高功率输出等优点。
双电层超级电容器的储能机制主要涉及两个电极之间的双电层和电解质。
当电极材料置于电解质中时，电解质中的正负离子会在电极表面形成两层电荷分布，即电极表面附近的阴阳离子分布在电极表面形成两层电层，这就是双电层效应。
双电层相对于纯电解质电池，具有更高的电容、更高的电流和更高的能量密度。
双电层超级电容器的电极材料对其能量存储性能起着关键作用。
一般来说，电极材料应具有高比表面积、优异的电导率和良好的化学稳定性。
常见的电极材料包括活性炭、金属氧化物和导电高分子材料等。
活性炭是一种常用的电极材料，其具有高比表面积、良好的电导率和优异的化学稳定性，但容易发生电极材料局部损坏导致电容减少。
金属氧化物电极材料具有较高的电容和较好的循环稳定性，但比表面积较低。
导电高分子材料是一种新兴的电极材料，它们具有高比表面积、优异的电导率和出色的力学性能，但其循环寿命和电容稳定性仍需进一步提高。
除了电极材料，电解质也是双电层超级电容器能量存储性能的关键因素之一。
电解质的选择应考虑其溶解度、离子迁移率和电化学稳定性。
常用的电解质包括有机电解质和无机电解质。
有机电解质具有高溶解度和优异的电导率，但它们在高温或高电压下容易热分解，导致循环寿命受限。
无机电解质具有更好的电化学稳定性，但溶解度较低且离子迁移速度较慢。
因此，针对具体应用场景的需求，选择合适的电解质对于提高双电层超级电容器的能量存储性能至关重要。
什么是超级电容超级电容器（supercapacitor），又叫双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。
它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
超级电容器向快速充电与大功率发展充电1分钟即可驱动小型笔记本电脑运行近1个半小时--在2004年10月于幕张MESSE举行的IT博览会“CEATEC JAPAN”上，这种快速充电的演示成了人们关心的话题。
一般笔记本电脑的充电电池要充满电至少需要1个小时。
但“双电层电容器”却大幅缩短了这一时间。
超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。
超级电容器也可以分为两类：（1）以活性炭材料为电极，以电极双电层电容的机制储存电荷，通常被称作双电层电容器(DLC);(2)以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷，通常被称作电化学电容器。
作为一种新型储能元件，电化学电容器的电容量可高达法拉级甚至上万法拉，能够实现快速充放电和大电流发电，并比蓄电池具有更高的功率密度(可达1,000W/kg数量级)、和更长的循环使用寿命(充放电次数可达10万次)，同时可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。
这些特点使得电化学电容器在电动汽车、通讯、消费和娱乐电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。
有业内专家预测，仅就中国市场而言，目前的年需求量可达2,150万只，而整个亚太地区的总需求量则超过9,000万只。
美国市场研究公司Frost & Sullivan不久前发布的一份报告也预计，2002年到2009年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入这两项数据将分别以157%和49%的年复合增长率保持高速增长。
双电层电容器双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。
是以双电层-双电层( electric double layer) 为主要机制，即在充电时，正极和负极的炭材料表面分别吸附相反电荷的离子，电荷保持在炭电极材料与液体电解质的界面双电层中。
这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，这种储能过程是可逆的。
双电层电容器主要是由具有高比表面积的电极材料组成，目前主要研究开发了采用碳电极的电化学双电层电容器。
该碳电极主要是由高比表面积的活性炭颗粒制得，以硫酸或到导电型的固体电解质作为电解液，在其使用电位范围内，充电时可得到很大的界面双电层电容。
法拉第准电容器法拉第准电容是以准电容-准电容( pseudocapacitance)为主要机制，在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，正极和负极表面分别以金属氧化物的氧化/还原反应为基础或以有机半导体聚合物表面掺杂不同电荷的离子为基础，产生与电极充电电位有关的电容。
在相同的电极面积的情况下，容量是双电层电容的10—100 倍。
混合型超级电容器在混合型超级电容器中，一极采用传统的电池电极并通过电化学反应来储存和转化能量，另一极则通过双电层来储存能量。
电池电极具有高的能量密度，同时两者结合起来会产生更高的工作电压，因此混合型超级电容器的能量密度远大于双电层电容器。
目前，混合型超级电容器是电容器研究的热点。
在超级电容器的充放电过程中正负极的储能机理不同，因此其具有双电层电容器和电池的双重特征。
混合型超级电容器的充放电速度、功率密度、内阻、循环寿命等性能主要由电池电极决定，同时充放电过程中其电解液体积和电解质浓度会发生改变。
超级电容器的特点：(1)功率密度高。
超级电容器的内阻很小，而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。
(2)充放电循环寿命长。
超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。
双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)又叫超级电容器，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
双电层电容器用途广泛。
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车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。
此外还可用于其他机电设备的储能能源。
原理折叠编辑本段双电层电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。
众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。
那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层，它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。
双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。
同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达106次以上，因此双电层电容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元器件基本原理为：当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。
由于两电荷层的距离非常小（一般0.5nm以下），再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量工艺折叠编辑本段超级电容器的工艺流程为：配料→混浆→制电极→裁片→组装→注液→活化→检测→包装。
超级电容器在结构上与电解电容器非常相似，它们的主要区别在于电极材料。
早期的超级电容器的电极采用碳，碳电极材料的表面积很大，电容的大小取决于表面积和电极的距离，这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离，使超级电容器的容值可以非常大，大多数超级电容器可以做到法拉级，一般情况下容值范围可达1-5000F。
超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。
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的电容量的。
在超级电容器中，采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的两个多孔炭电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成双集电层。
分类折叠编辑本段超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。
按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：双电层型超级电容器，包括1.活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。
2.碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。
3.碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。
4.碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。
以上电极材料可以制成：1.平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。
2.绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。
赝电容型超级电容器：包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。
这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。
按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型：水性电解质，包括以下几类1.酸性电解质，多采用36%的H2SO4水溶液作为电解质。
2.碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。
3.中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。
有机电解质通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。
另外还可以分为：1.液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态。
2.固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究。
缺点折叠编辑本段第一︰电化学电池（3-5·W·H /千克为一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量是一般较低，尽管85瓦时/公斤已在实验室中实现[4] 2010年相比，30-40·W·H /公斤的铅酸电池，100-250·W·H /公斤，锂离子电池，约1/1万分之一体积的汽油的能量密度；第二︰具有最高的任何类型的电容器的介质吸收；第三︰高自放电 - 率大大高于电化学电池高；第四︰最大的低电压 - 系列连接需要，以获得更高的电压，电压平衡可能需要；第五︰与实际的电池，在任何电容，包括双电层电容器，电压显著下降，因为它的排放。
能源的有效存储和恢复需要复杂的电子控制和开关设备，随之而来的能量损失。
一个多电压5.3 W EDLC的医疗设备电源的详细论述了详细的设计原则。
它使用在约150秒共55 F的电容，收费，运行约60秒。
电路采用开关模式稳压器，线性稳压器的清洁和稳定的电力，减少约70%的效率。
开关稳压器，降压，升压，降压 - 升压类型的讨论，并得出结论，大不相同跨EDLC的降压 - 升压电压是最好的，增加第二个最好，降压不宜；第六；非常低的内部电阻允许极快速放电时短路，导致类似的任何其他类似的电压和电容（一般比电化学电池）电容火花危险。
优点折叠编辑本段第一︰寿命长，有点退化了数以十万计的充电周期。
由于电容的充放电循环（百万或更多的200至1000大部分市售的充电电池相比）的高数量将持续为大多数设备的整个生命周期，这使得环保设备。
充电电池通常穿了几年了，和他们的高活性化学电解质提出了处理和安全隐患。
可以只收取了有利的条件下，一个理想的速度，对于一些化学物质，尽可能少地优化电池寿命。
双电层电容器与电池结合作为电荷调节，存储从其他来源的能量负载均衡的目的，然后使用充电电池，在适当的时间，任何多余的能量可以帮助；第二︰每个周期的成本低；第三︰良好的可逆性；第四︰充电和放电率非常高；第五︰非常低的内部电阻（ESR）和随之而来的高周期效率（95%以上）和极低的加热水；第六︰高输出功率；第七︰比功率高。
根据ITS（交通研究学院，戴维斯，加利福尼亚）的测试结果，双电层电容器的具体功率可超过6千瓦/千克，95%的效率[13]；第八︰提高了安全性，无腐蚀性的电解质和低毒性的材料；第九︰简单的收费方法，没有充分充电检测是必要的，没有滥收费用的危险；第十︰配合使用充电电池时，在某些应用中EDLC的很短的时间提供能量，减少电池自行车税和延长寿命。
物料折叠编辑本段在一般情况下，双电层电容器通过了纳米材料的使用，代替传统的绝缘层，通常活性炭提高存储密度。
活性炭是一个非常多孔，“海绵”碳形式有一个非常高的比表面积 - 一个共同的近似是1克（铅笔橡皮擦般大小的量），有一个大约250平方米的表面面积大小 - 一个网球场。
它通常是极其精细，但很“粗糙”的粒子，其中，散装，形成许多小孔的低密度堆粉末。
由于这种材料甚至是一层薄薄的表面积是许多倍，比传统材料，如铝，越来越多的电荷载体（电解质的离子或自由基）可以存储在一个给定的体积。
由于碳是不是一个很好的绝缘体（与传统设备所使用的优良绝缘体），一般双电层电容器限于低2-3至五为了潜力，因此必须是“堆叠”（串联），只是作为传统电池必须提供更高的电压。
活性炭是不是“完美”的申请材料。
其实运营商的收费（效果）相当大，特别是由分子的包围时，往往大于木炭留下的洞，这是接受他们太小，限制了存储。
截至2010年，几乎所有的商业超级电容器用粉末活性炭由椰子壳制成的。
[引证需要]性能更高的设备是可用的，在一个显着的成本增加，合成碳与氢氧化钾（KOH）激活的前体的基础上。
在双电层电容器的研究主要集中在改进的材料，提供更高的可用表面积。
石墨具有优异的表面面积每单位重量或体积密度，高导电性，可以在各个实验室生产的，但不是在批量生产。
特定的能量密度为85.6瓦/公斤，在室温和136瓦时/公斤，在80℃（所有总电极重量计算），在电流密度为1 A / G来衡量，已观察到。
这些能量密度值是镍氢电池媲美。
设备的充分利用，最高的内在表面电容及单层石墨比表面积预备弯曲不重新堆叠面对面的石墨薄片。
弯曲的形状，使访问和对环境无害的离子液体能够在电压> 4可湿性孔形成五。
碳纳米管具有优良的nanoporosity属性，使聚合物的微小空间，坐在管中，并作为介质。
碳纳米管可以存储大约每单位面积，但碳纳米管（这几乎是纯碳作为木炭相同的电荷）可以安排在一个更经常的模式，公开更多合适的表面积。
[16]电容器的碳纳米管除了可以大大改善和提高双电层电容器的性能。
由于高表面积和高导电性的单壁碳纳米管，这些碳纳米管除了允许这些电容器优化。
[17]多壁碳纳米管在电极孔，方便离子允许存在/电解质界面。
碳纳米管薄薄的墙壁，允许在双电层电容器的高电容。
通过添加多壁碳纳米管，这些电容器，电极的电阻可以降低。
电容与多壁碳纳米管纤维细胞有较高的电子和电解质的离子电导率，比没有这些碳纳米管的细胞。
这些纳米管也有所改善电力电容器的能力。
ragone图表显示各种能源存储设备能量密度vs.power密度一些聚合物（如polyacenes和导电聚合物）随着高表面积氧化还原（氧化还原）的存储机制。
碳气凝胶提供了极高的表面积约400-1000平方米/克的重量密度。
