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第八章 超级电容器
8.1 超级电容器概述 8.2 碳材料系列 8.3 金属氧化物材料 8.4 导电聚合物材料 8.5 复合材料 8.6 其他材料
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8.1 超级电容器概述
超级电容器(Supercapacitors)是从上世纪七、八十年代 发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不 同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、 具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电 荷储存电能。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。
(a) 碳气凝胶 (b) 花朵上的碳气凝胶
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8.2 碳材料系列
碳气凝胶的制备： 1）形成有机凝胶：有机凝胶的形成可得到具有三维空 间网络状的结构凝胶； 2）超临界干燥：超临界干燥可以维持凝胶的织构而把 孔隙内的溶剂脱除； 3）碳化：碳化使得凝胶织构强化，增加了机械性能， 并保持有机凝胶织构。 只有热固性有机气凝胶才能制备碳气凝胶，否则碳化将破坏 凝胶结构。碳气凝胶的原料一般采用间苯二酚和甲醛，二者 在碱催化剂作用下发生缩聚反应，形成间苯二酚甲醛 RF(resorcinol formaldehyde)凝胶。用超临界干燥法把孔隙 内的溶剂脱除形成RF气凝胶，RF气凝胶在惰性气体下碳化 得到保持其网络结构的碳气凝胶。
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8.1 超级电容器概述
双电层原理示意图
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双电层电容器充电状态电位分布曲线
Profile of the potential across electrochemical double 功能材料研究所 layer capacitor in the charged condition

1、多孔电容炭材料——超级电容器的核心
2、准电容储能材料 3、高性能电解质溶液 4、以减轻重量为中心的结构设计
活性炭是双电层电容器传统的电极材料，石墨结构的导电炭、碳化物的衍 生碳、碳纳米管、炭黑和石墨烯等各种各样不同结构的碳在双电层电容器 中的应用也越来越广泛。
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。
• 研究趋势： 材料复合、降低成本来自活性炭表面官能团的作用
➢ 含氧官能团越多，导电性越差。
➢羧基浓度越大，漏电电流越大，储存性能越差。 ➢ 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
高温处理的影响
➢ 增加电导率和密度，
➢ 减少表面官能团，也减小比表面、比容量 。 ➢适宜的高温处理，可提高大电流下体积比容量。 ➢ 进行二次活化可提高比表面--重量比容量。
电压、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。

图3-4-2 超级电容的结构
二、超级电容的工作原理
1、充电过程 超级电容充电过程如图3-4-3所示。 充电时，电子通过外加电源从正极流向负极 ，同时，正负离子在固体电极上电荷引力的作用 下从溶液体相中分离并分别移动聚集到两个固体 电极的表面，形成双电层；充电结束后，电极上 的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使 双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差 。
图3-3-1 氢燃料电池的组成与原理
二、超级电容器结构
超级电容电池是由电极、集电板、隔膜及电解液组成，如图3-4-2所示。电极材料与集电板之间 要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件， 一般为纤维结构的电子绝缘材料。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。
三、超级电容特点
超级电容器除了上述有点外，自身还存以下缺点： （1）低能量密度。目前超级电容器可储存的能量比化学电源少得多。 （2）低电压。超级电容单体电压低，需要多个电容串联才能提升整体电压。 （3）高自放电。它的自放电速率比化学电源要高。 （4）线性放电。超级电容器线性放电的特性使它无法完全放电。
图3-4-4 超级电容的放电过程
三、超级电容特点
超级电容器具有以下优点： （1）高功率密度。超级电容器的内阻小，输出功率密度高，是一般蓄电池的数十倍。 （2）充电速度快。可以用大电流给起级电容器充电，充电10S～10min可达到其额定容量的 95%以上。 （3）工作温度范围宽。超级电容器能在-40℃～60℃的环境温度中正常工作。 （4）循环办命长。超级电容器具有至少十万次以上的充电寿命，没有“记忆效应”。 （5）简单方便。超级电容器充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长 期使用免维护；检测方便，剩余电量可直接读出。 （6）绿色环保。超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害化学物质，因而在生产、使 用、储存及拆解过程中均没有污染，是一种新型的绿色环保电源。

超级电容器简介超级电容器简介超级电容器事业部 20111213Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd. Proprietary Confidential目录：第一章：电容器第二章：超级电容器2.1 超级电容器定义 2.2 超级电容器储能原理 2.3 超级电容器特性2.4 公司现有产品图 2.5 超级电容器应用第三章：总结Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd. Proprietary Confidential第一章：电容器基本知识1.1 电容器定义：电容器是由两片接近并相互绝缘的导体制成的电极组成的储存电荷和电能的器件，英文名称：capacitor。

电容定义：电容是表征电容器容纳电荷本领的物理量。

电容器的电容量可用每伏特储存的电荷量表示，用字母C表示，单位是法拉（F）。

备注：电池容量表示的是法拉第电荷储存的多少，单位是库伦(A.S)或 mAh。

Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd. Proprietary Confidential1.2 电容计算公式：电容器容量计算公式：C=Q/U, C单位法拉（F），Q是库伦（A.S)，U单位是伏特(V). 电容所储存的电能: E=(UC/3600)Ah =(CU2/2/3600)wh 电容的基本单位是法拉（F），其它单位还有：毫法（mF）、微法（uF）、纳法（nF）、皮法（pF）。

单位换算关系：1F=1000mF 1μF=1000nF1mF=1000μF 1nF=1000pFLishen Battery Joint-Stock Co., Ltd. Proprietary Confidential1.3电容器分类电解电容器陶瓷电容器普通电容器薄膜电容器云母电容器微调电容器碳碳双电层电容器电容器超级电容器氧化物/碳混合电容器赝电容器（法拉第准电容器）Lishen Battery Joint-Stock Co., Ltd. Proprietary Confidential第二章：超级电容器介绍2.1 超级电容器定义：超级电容器，英文Ultracapacitor 或supercapacitor，就是超大容量的电容器，其容量都是法拉级，一般情况下容量范围可达1F-5000F，有的甚至上万及法拉，而普通电容器都是PF或μF级。