超级电容器材料

超级电容器材料先来看几幅图1.1何为超级电容器•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。高能量密度高功率密度长循环寿命超级电容器传统电容器电池VS普通电源（包括燃料电池）•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1.3超级电容器的分类双电层法拉第双电层电容器,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1.3超级电容器的分类混合电容聚合物介质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。有机无机复合陶瓷介质材料陶瓷介质材料1.5超级电容器的组成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。集流体电解质电极隔膜1.5超级电容器的组成碳素材料金属氧化物。。。。导电聚合物碳素材料原理EDLC种类活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等优点原料丰富价格低廉；比表面大；导电性好；化学稳定性高缺点比电容相对较小；能量密度不高研究热点活化活性炭（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2.1碳材料2.1碳材料MHummers()()ultiwalledCarbonNanotubesMWCNTsCurvedGrapheneNanosheetsCGN多壁碳纳米管法剥离弯曲石墨烯纳米片Wang,Huanwen,etal.Cuttingandunzippingmultiwalledcarbonnanotubesintocurvedgraphenenanosheetsandtheirenhancedsupercapacitorperformance.ACSappliedmaterials&interfaces4.12(2012):6827-6834.金属氧化物材料原理以法拉第电容为主，也包含双电层电容：离子的吸附/脱吸附和插入/脱出种类贵金属氧化物（RhO、IrO）；贱金属氧化物（Co3O4、NiO/NiOH、MnO2、V2O5等）优点高的比电容（是碳材料的10~100倍）；稳定性好缺点结构致密，导电性能差；电势窗口太窄研究热点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2.2过渡金属Wang,Huanwen,YalanWang,andXuefengWang.Pulsedlaserdepositionoftheporousnickeloxidethinfilmatroomtemperatureforhigh-ratepseudocapacitiveenergystorage.ElectrochemistryCommunications18(2012):92-95.Wang,Huanwen,YalanWang,andXuefengWang.Pulsedlaserdepositionoflarge-areamanganeseoxidenanosheetarraysforhigh-ratesupercapacitors.NewJournalofChemistry(2013).3.展望提高能量密度高比电容宽电势窗口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。电极材料3.展望未来电极材料的发展有两个重要的方向:•复合材料•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。金属氧化物材料•导电性差碳材料•比电容小•导电性能好•比电容大例如：(ง•_•)ง