高比表面 良好的电解 液浸润性 高中孔孔容
孔容 12~40Å 400l/g，大 高电导率 于40Å的孔容 50l/g
高性价比
高的堆积 比重 高纯度 灰份 < 0.1%
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已研制的电容炭材料
活性炭(粉、纤维、布)
纳米碳管 A 应用最多的 电极材料
B
C
碳气凝胶 D 活化玻态炭 D
活化玻态炭
循环 寿命
20秒充电到额 定电压，恒压 充电10秒， 10秒放电到额 定电压的一半， 间歇时间10秒 为一个循环。 一般可达 500000次。
密度
这里指： 功率密度 （kW/kg ）和能量 密度（ wh/kg）， 根据不同 超容性能 而变化。
寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失 随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额 定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍
KOH电解液体系
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有机电解液电容炭性能比较
编号 ACC-507-25 ACC-5092-25 电容炭 AC-701 比容量 内阻 生产厂家 （F/g） （m ） 30 2.48 松下电器产业中央研究所 25 3.40 松下电器产业中央研究所 24 2.71 三菱化学 35 2.53 防化研究院第一研究所
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活性炭纤维的研究举例
纺丝原料的“掺杂” 1、过渡金属螯合物 —活化催化剂 2、低分解点、低残炭量共聚物 3、纳米材料 — 炭黑等 酚醛树脂纤维和布 炭化、活化
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生产用粉状活性炭性能的比较
充放电流密度 （mA/g） 防化院 质 量 比 巨容用炭 容 量 奥威用炭 （F/g） 金正平炭 50 272 190 127 87 1000 2000 5000 8000 220 149 104 65 198 129 87 53 162 133 83 未测 69 64 42 未测 成型密度 （g/cm3） 0.72 0.76 0.65 0.68
额定 电流
漏电 流 一般为 10μA/F
5秒内 放电到 额定电 压一半 的电流
12
7.1.8 超级电容器的性能指标
等效串 联电阻 专项规 性能指标 划的总 体任务
以规定的恒 定电流和频 率（DC和 大容量的 100Hz或小 容量的KHz ）下的等效 串联电阻。
寿命
在25℃环境温 度下的寿命通 常在90 000小 时，在60℃的 环境温度下为 4 000小时， 与铝电解电容 器的温度寿命 关系相似。
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导电性 好，比 功率高
比表面 小，比 容量低
成本高
因而一般是做添加剂使用！
碳纳米管特点
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碳气凝胶——电子导电性好
碳气凝胶制备方法
R+F以Na2CO3催化热凝 凝胶 丙酮置换 无水凝胶 液体CO2置换 超临界干燥 RF-气凝胶 炭化 碳气凝胶 电容器产品性能：功率 4000 W/kg，能量 1 Wh/kg
10-3—10-6秒
10-3—10-6秒 <0.1 >100000 <100000 >0.95
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7.2 超级电容器技术及电极材料的进展
超级电容 器的核心 多孔电容炭材料
准电容储能材料
高性能电解质溶液
研究内容
以减轻重量为中心的结构设计
16
7.2.1 多孔电容炭材料
比表面 > 1000m2/g 理论比电容 > 250 F/g
2
目录
7.2 风能基本参数及我国风能分布
7.2.1 多孔电容炭材料 7.2.2 准电容储能材料 7.2.3 高性能电解质溶液 7.2.4 以减轻重量为总新的结构设计
3
7.1 超级电容器概述
7.1.1 什么是超级电容器？
超级电容(supercapacitor)，是相对于传统电容器而言 具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来存储能 量。
超容
锂离子电池
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对比数据
性 能 铅酸电池 超级电容器 普通电容器
充电时间
放电时间 比能Wh/kg 循环寿命 比功率W/kg 充放电效率
1-5小时
0.3-3小时 30- 40 300 < 300 0.7-0.85
0.3-若干秒
0.3-若干秒 1- 20 >10000 >1000 0.85-0.98
充放电寿 命很长 可以提供很 大电流放电
高的放电电 流
可达500000次，或 90000小时，而蓄电池 的充放电寿命很难超过 1000次
快速充电
可以数十秒 到数分钟内 快速充电
5
（-40+70℃）
7.1.3 超级电容器的分类
分类
以炭材料为电极，以电 极双电层电容的机制储 存电荷，本质是静电型 能量储存方式，通常被 称作双电层电容器 (EDLC)。电容量与电极 电位和比表面积的大小 有关，因而常使用高比 表面积的活性碳作为电 极材料，从而增加电容 量。
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活性炭
优势
性能影 响因素
研究趋势
(1)成本较低； (2)比表面积 高; (3)实用性 强； (4)生产 制备工艺成熟； (5)高比容量， 最高达到 500F/g，一般 200F/g。
(1)炭化、活 化条件，高 温处理；(2) 孔分布情况； (3)表面官能 团 (4)杂质。
材料复合 、降低成 本
廉价金属
1. MnO2材料 溶胶-凝胶法制 得MnO2水合物 在KOH溶液中比 容量为689F/g。 2.NiO材料 溶胶-凝胶法 制得多孔NiO比 容量265F/g。 3. 多孔V2O5水合 物比容量350 F/g（在KCl溶 液）。 4. Co2O3干凝胶 比容量291F/g。 （KOH溶液 中）。 5.-Mo2N比容量
第八章
超级电容器
1
目录
7.1 超级电容器概述
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.1.6 7.1.7 7.1.8 7.1.4 什么是超级电容器？ 超级电容器的特点 超级电容器的分类 超级电容器工作原理 制备高性能的超级电容器的两个途径 超级电容器的优缺点 超级电容器制作工序 超级电容器的性能指标 超级电容器与锂离子电池对比
text2 提高电极材料的可逆法拉第反应的机率, 从而提高准电容容量。
9
7.1.6 超级电容器的优缺点 优缺点对比
在很小的体积下达到法 拉级的电容量；无须特 别的充电电路和控制放 电电路；和电池相比过 充、过放都不对其寿命 构成负面影响；从环保 的角度考虑，它是一种 绿色能源；超级电容器 可焊接，因而不存在像 电池接触不牢固等问题
纳米孔玻态炭 项目 比表面积m2/g 电导率S/cm 800~1900 7~60 碳气凝胶 （美国） 400~1000 5~40
电极密度g/cm3
最佳比容量F/g 制备条件
0.73
230 常规方法、简单方便
0.70
170 超临界干燥周期 长、费用高
28
7.2 超级电容器技术及电极材料的进展
导电聚合物
1. 研究情况： 聚苯胺、聚 对苯、聚并苯、 聚吡咯、聚噻吩、 聚乙炔、聚亚胺 酯 2. 性能特点： 可快速充放电、 温度范围宽、不 污染环境 ； 3. 存在问题： 稳定性、循 环性问题。
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7.2 超级电容器技术及电极材料的进展
多孔电容炭材料
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，又具有电池的储能特性。
4
7.1.2 超级电容器的特点
超级电容器的八大特点 电容量大
可任意并联 增加电容量 等效串联电阻 ESR相对常规 电容器大 10F/2.5V的ESR 绿色环保 为110mΩ
工作温度范 围宽
超级电容器采用活性炭粉 与活性炭纤维作为可极化 电极与电解液接触的面积 大大增加，则电容量越大。
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7.1.9 超级电容器与锂离子电池电池对比
1. 超低串联等效电阻； 2. 功率密度较电池高，功 率密度是锂离子电池的数 十倍以上； 3. 循环寿命：50万次 4.大电流放电：一枚4.7F电 容能释放瞬间电流18A以上 5. 工作范围广： -40℃～ +70℃
1. 串联电阻较高； 2. 功率密度较低； 3. 循环寿命约为1000次 ； 4. 充放电效率较低：一 般为几个小时； 5. 一般电池是-20℃～ 60℃
缺点：制备费力
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玻态炭
电导率高，机械性能好； 结构致密，慢升温制作难，价贵。 玻态炭
只能表层活化
纳米孔玻态炭
纳米孔玻态炭 整体多孔，比能量提高 快速升温炭化，成本大降
活性玻态炭
多孔碳层 厚15~20 um
多孔碳层的电导率高，比功率18kW/L；但电容器 的比能量很低（0.07Wh/L）
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纳米孔玻态炭与碳气凝胶性能比较
超级电容器的大容量和高功率充放电就是由这2种原理产生的。 充电时,依靠这2种原理储存电荷,实现能量的积累;放电时,又依 靠这2原理,实现能量的释放。
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7.1.5 制备高性能的超级电容器的两个途径
text1 增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量。
实际上对一种电极材料而言,这2种储能机理往往同 时存在，只不过是以何者为主而已。
多孔电容炭材料
准电容储能材料
高性能电解质溶液
研究内容
以减轻重量为中心的结构设计
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准电容器对金属化合物的性能要求：
高比表面——高比能量
低电阻率 ——高比功率
要求
化学稳定性——长寿命 高纯度——减少自放电
价格低——便于推广应用
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三种主要的准电容器
贵金属 贵金属
1.贵金属RuO2电容性 能研究 (1) 使用硫酸电解液； 容量高，功率大，成 本高。 (2) 热分解氧化法 380F/g溶胶-凝胶法 768F/g 2. 添加W、Cr、Mo、 V、Ti等的氧化物 (1) 降低成本； (2) 复合后性能高: WO3/RuO2比容量 高达560F/g; Ru1yCryO2x H2O比容量 高达840F/g (3)活性炭上沉积0.4 mm无定形钌膜达到 900F/g.