溶胶-凝胶法制得多孔NiO比容量265F/g。 北航做纳米Ni(OH)2容量500F/g以上。 Ni(OH)2干凝胶容量900F/g。
多孔V2O5水合物比容量350 F/g （在KCl溶液）。 Co2O3干凝胶比容量291F/g （KOH溶液中）。 -Mo2N比容量203F/g。
降低成本 复合后性能高： WO3/RuO2比容量高达560F/g Ru1-yCryO2xH2O比容量高达840F/g 活性炭上沉积0.4mm无定形钌膜达到 900F/g
b、廉价金属取代贵金属
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。
NiO材料
电容器电解质：
水溶液：酸性体系——硫酸
碱性体系——氢氧化钾
有机电解液：Et4NBF4/PC（小型电容器，高温性能好）
Et4NBF4/AN（大型，大功率、低温） LiAlCl4/SOCl2 季磷盐( R4P+)电导率高、电化学稳定性好，可以提高电 容器的分解电压 (达5.4～5.5 V)。
•准电容的特点： •准电容的充放电过程是动力学高度可逆的 ,与原电池及 蓄电池不同,但与静电电容类似。 •这 种 电 化 学 能 量 储 存 系 统 首 先 由 Conway 等 与 CraiyofContinental 集团合作 , 于 1975 年开始并致力于这 方面的研究工作 , 研制出采用这种充放电原理的名为超 电容的电容器。
1978年， 松下，Goldcap牌，最早产品； 1980年，NEC公司（超级电容器名称的由来） 80年代末，ELNA公司；等。
电容器的容量值0.01~几法拉
一、 超级电容器发展简介
20世纪80年代末 ，由于电动汽车发展的需
要，大尺寸超级电容器的研制成为热点。 俄、欧、美、日等国列入国家研究计划。
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。
2.超级电容的性能指标
• 额定容量：以规定的恒定电流（如1000F以上的超级 电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A） 充电到额定电压后保持2-3分钟，在规定的恒定电流 放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘 积再除以额定电压值 。
3、高电导率 4、高的堆积比重 5、高纯度 灰份 < 0.1% 6、高性价比 7、良好的电解液浸润性
各指 标间 相互 矛盾
1、多孔电容炭材料
已研制的电容炭材料
活性炭（粉、纤维、布）
——应用最多的电极材料
纳米碳管
碳气凝胶
活化玻态炭
纳米孔玻态炭
活性炭
• 优势： （1）成本较低；
（3）实用性强；
1、多孔电容炭材料
1、多孔电容炭材料
碳纳米管
特点 1、导电性好，比功率高
2、比表面小，比容量低
3、成本高
作为添加剂使用
碳气凝胶——电子导电性好
R+F以Na2CO3催化热凝
无水凝胶 RF-气凝胶 炭化
1、多孔电容炭材料
凝胶
丙酮置换
超临界干燥
液体CO2置换
碳气凝胶
电容器产品性能：功率 4000 W/kg，能量 1 Wh/kg 缺点：制备费力
• 额定电压：可使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、 2.7V） • 额定电流：5秒内放电到额定电压一半的电流
超级电容的性能指标
• 等效串联电阻：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。
• 漏电流：指超级电容器保持静态储能状态时，内部等效 并联阻抗导致的静态损耗，通常为加额定电压72h后测 得的电流，一般为10μA/F
• 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，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。
超级电容的性能指标
• 循环寿命： 超级电容器经历一次充电和放电， 称为一个循环，超级电容器的循环寿命长，可达 到10万次以上。 • 功率密度（kW/kg）:也称为比功率，指单位质量 或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热 效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能 承受电流的能力
• 超级电容（supercapacitor），双电层电容(Electrical DouleLayer Capacitor)、黄金电容、法拉电容， • 即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相 反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。 • 其过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电 池电化学储能过程不同。 • • 超级电容器介于电容器和电池之间的储能器件，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。
（2）比表面积高； （4）生产制备工艺成熟；
（5）高比容量，最高达到500F/g，一般200F/g。
• 性能影响因素：
（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。
• 研究趋势： 材料复合、降低成本
1、多孔电容炭材料
活性炭表面官能团的作用
含氧官能团越多，导电性越差。
• 能量密度（wh/kg）：也称比能量。指单位质量 或单位体积的电容器所给出的能量。
3、超级电容器的优点
1. 高功率密度，输出功率密度高达数KW/kg， 一般蓄电池的数十倍。 2. 极长的充放电循环寿命，其循环寿命可达 万次以上。 3．非常短的充电时间，在0.1-30s即可完成。 4．解决了贮能设备高比功率和高比能量输出 之间的矛盾，将它与蓄电池组合起来，就会成 为一个兼有高比功率输出的贮能系统。 5．贮能寿命极长，其贮存寿命几乎可以是 无限的。 6．高可靠性。
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
1、多孔电容炭材料
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。
Байду номын сангаас
进行二次活化可提高比表面--重量比容量。
1、多孔电容炭材料
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 活性玻态炭
多孔碳层 厚15~20 um
纳米孔玻态炭
纳米孔玻态炭
多孔碳层的电导率高， 多孔碳层比功率18kW/L 但电容器的比能量很低（0.07Wh/L）
整体多孔，比能量提高 快速升温炭化，成本大降
2、准电容储能材料 对金属化合物的性能要求：
1、储能原理
化学电容储能机制可分为：
双电层电容--电极表面与电解液间双电层储能。
准电容--电极表面快速的氧化-还原反应储能。
相应的两类电极—-—组成三种电容器
双电层电容器
导电聚合物。
正、负极——多孔炭
准电容器 正、负极——金属化合物、石墨、
寿命短、电压低
混合电容器 电压、能量密度高
双电层电容原理
美国Surpercapacitor Symposium；从1991年 起，每年都举办一次国际性的超级电容器研讨会； 美国能源部制定了超级电容器的近期、中期、长期 的研究目标。 日本设立新电容器研究会； 将超级电容器研究列 入“新阳光”计划。 以Saft牵头，欧盟组织电动车超级电容器的研制。
1、高比表面 ——多孔，高比能量 2、低电阻率 ——高比功率 3、化学稳定性—— 长寿命 4、高纯度—— 减少自放电 5、价格低—— 便于推广应用
a. 贵金属

贵金属RuO2电容性能研究
使用硫酸电解液；容量高，功率大， 成本高。 热分解氧化法380F/g 溶胶-凝胶法 768F/g
添加W、Cr、Mo、V、Ti等的氧化物
c、导电聚合物
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
性能特点：
可快速充放电、温度范围宽、不污 染环境 ； 稳定性、循环性问题。
3、高性能电解质溶液
性能要求：
分解电压要高； 电导率要高； 电解液的浓度大； 电解液的浸润性好； 电解液纯度高； 不与电极反应； 使用温度范围要宽。
准电容原理（赝电容）
• 准电容原理则是利用在电极表面及其 附近发生在一定电位范围内快速可逆 法拉第反应来实现能量存储。这种法 拉第反应与二次电池的氧化还原反应 不同。
准电容原理
• 此时的放电和再充电行为更接近于电容器而不是 原电池,
• （1）电压与电极上施加或释放的电荷几乎成线 性关系; （2）设该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K, 则产生的电流为恒定或几乎恒定的容性充电电流 I=CdV/dt=CK。
>10000 >1000 0.85-0.98
<0.1
>100000 <100000 >0.95
超级电容与电池的比较
• 可以提供很高的放电电流（一枚4.7F电容能释放瞬间电 流18A以上） • 超超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍 以上，适合大电流放电长寿命，充放电大于50万次，是 Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍， 如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年 • 可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单， 无记忆效应，免维护，可密封 • 温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃
一、 超级电容器发展简介
我国从90年代开始研制超级电容器及其电 极材料。超级电容器及其关键材料的研制已纳 入“十五”、 “十一五” “863”计划中的部 分专项和主题： 电动车专项 纳米材料专项 特种功能材料技术主题，等