超级电容器材料
先来看几幅图
1.1 何为超级电容器
传统 电容 器
VS
超级电 容器
高能量密度 高功率密度 长循环寿命
电池
• 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池特性,能提 供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功率密度和更长的循环 寿命。
普通电源（包括燃料电池）
2.1 碳材料
Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNTs )多壁碳纳米管 Hummers法剥离 Curved Graphene Nanosheets (CGN )弯曲石墨烯纳米片
Wang, Huanwen, et al. "Cutting and unzipping multiwalled carbon nanotubes into curved graphene nanosheets and their enhanced supercapacitor performance." ACS applied materials & interfaces 4.12 (2012): 6827-6834.
双电层
1.3 超电容器的分类
双电层电容器, 其电容的 产生主要基于电极/电解液 上电荷分离所产生的双电 层电容, 如碳电极电容器 法拉第
法拉第准电容器, 其电容的产生是 电极表面或体相中的二维或准二维 空间上, 电活性物质进行欠电位沉 积, 发生高度的化学吸脱附或氧化 还原反应, 产生与电极充电电位有 关的电容, 如金属氧化物电极电容 器和导电聚合物电极电容器
陶瓷介质材料
有机无机复合
陶瓷介质材料
1.5 超级电容器的组成
集流体 电 极 电解质 隔 膜
电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素之一。
1.5 超级电容器的组成
碳素材料 金属氧化物 导电聚合物 。。。。
2.1 碳材料
碳素材料 原理 种类 优点 缺点 研究热点 EDLC 活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米管 （CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等 原料丰富价格低廉；比表面大；导电性好；化学 稳定性高 比电容相对较小；能量密度不高 活化活性炭（物理/化学）；碳材料的分散高度有 序的碳纳米管阵列；修饰石墨烯；复合材料：如 CNT 与金属氧化物、导电聚合物、石墨烯的复合 材料
混合电容
1.3 超级电容器的分类
混合电容器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， 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。在水溶液电解质体系中，已 有碳／氧化镍混合电容器产品，同时正在发展有机电解质体系 的碳／碳（锂离子嵌入反应碳材料）等。 聚合物介质
• • • • • • 寿命短 温度特性差 化学电池污染环境 系统复杂 造价高昂 等
超级电容器？
• 充电速度快，充电 10 秒 ~10 分钟可达到其额定容量的 95 %以上 • 循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达 1~50 万次 • 能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率 ≥ 90% • 功率密度高，可达 300W/KG~5000W/KG ，相当于电池的 5~10 倍 • 超低温特性好，可工作于摄氏零下 30 ℃ 的环境中
3. 展望
高比电容
电极材料
提高 能量密度
宽电势窗口
1.要有大的比表面积，高 比表面意味着有更多的反 应活性点。 2.要有合适的孔分布，孔 网络以及孔长度，这些条 件都有利于离子以较高的 速率传输。 3.复合电极的电荷传输电 阻要低。 4.有较高的电化学稳定性 和机械稳定性。
3. 展望 未来电极材料的发展有两个重要的方向:
2.2 过渡金属
金属氧化物材料 原理 种类 优点 缺点 以法拉第电容为主，也包含双电层电容：离子的吸 附/脱吸附和插入/脱出 贵金属氧化物（RhO、IrO）；贱金属氧化物（Co3O4、 NiO/NiOH、MnO2、V2O5等） 高的比电容（是碳材料的10 ~ 100倍）；稳定性好 结构致密，导电性能差；电势窗口太窄
• 复合材料
例如：
碳材料 • 比电容小 • 导电性能好
金属氧化物材料 • 导电性差 • 比电容大
• 材料纳米化 • 纳米结构的材料具有高比表面积，能够为电子和离子的传输扩 散提供短通道，从而提高与电解液离子的接触，使得材料在高 电流密度下也有高的充放电速度。
(ง •_•)ง
Wang, Huanwen, Yalan Wang, and Xuefeng Wang. "Pulsed laser deposition of large-area manganese oxide nanosheet arrays for highrate supercapacitors."New Journal of Chemistry (2013).
通过不同的制备方法（如PLD）得到纳米化的结构， 如已制备了纳米棒、纳米片纳米环、分级多孔纳米 研究热点 花、中空纳米球等，主要为了增大表面积，同时有 利于离子的传输；复合材料
2.2 过渡金属
Wang, Huanwen, Yalan Wang, and Xuefeng Wang. "Pulsed laser deposition of the porous nickel oxide thin film at room temperature for high-rate pseudocapacitive energy storage." Electrochemistry Communications 18 (2012): 92-95.