超级电容器

超级电容器目录1概念2特点3分类4结构5制作工艺6性能指标7应用8生产厂家超级电容器概念14超级电容器的概念什么是超级电容器？超级电容器（supercapacitor）是指相对传统电容器而言具有更高容量的一种电容器。通过极化电解质来储存能量。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。1特点26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工作温度范围宽快速充电大电流放电免维护，环保等效串联电阻相对常规电容大充放电寿命长2分类38超级电容器的分类3导电聚合物超级电容器双电层电容器静电作用（helmholtz双电层）储能法拉第赝电容器电化学作用（法拉第反应）储能活性炭碳气凝胶碳纳米管石墨烯金属氧化物混合型超级电容器静电和电化学作用共同储能对称型电极复合电极材料非对称型电极赝电容+双电层电极可充电电池型93-1双电层电容器(a)充电-++++++------+++++++------(b)放电++---+---+-+++双电层电容原理由于正负离子在固体电极和电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。充电时，在固体电极上电荷引力的作用下，电解液中的阴阳离子分别聚集在两个固体电极的表面。放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。其储能过程是物理过程，没有化学反应且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能不同3103-1双电层电容器双电层电容的优缺点(1)寿命长，能维持数百万个充电循环的寿命；(2)每个周期的平均成本低；(3)良好的可逆性；(4)充电和放电率非常高；(5)非常低的内部电阻和随之而来的高周期效率（95%以上）和极低的放热；(6)高输出功率；(7)比功率高；(8)使用无腐蚀性的电解质和低毒性的材料，提高了安全性；(9)简单的充电方法，不必进行过充检测，因为没有过充的可能。(1)一个标准的超级电容器每单位重量储存的能量一般较低；(2)高自放电率，大大高于电化学电池；(3)非常低的内部电阻允许极快速放电时，容易导致隔膜破裂从而发生短路。33优点缺点113-2法拉第赝电容器法拉第赝电容器也叫法拉第准电容，是在电极表面活体相中的二维或三维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。这种电极系统的电压随电荷转移的量呈线性变化，表现出电容特征，故称为“准电容”，是作为双电层型电容器的一种补充形式。法拉第赝电容3123-2法拉第赝电容(a)充电A–C+A–A–A–C+C+C+C+A–A–C++–A–C+A–A–A–C+C+C+C+A–A–C++–(b)放电充电时，电解液中的离子在外加电场的作用下向溶液中扩散到电极/溶液界面，而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中；若电极材料是具有较大比表面积的氧化物，就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路释放出来。3机理13法拉第赝电容的优缺点3-2法拉第赝电容器3法拉第赝电容器优点：在电极面积相同的情况下，法拉第赝电容器的比电容是双电层电容器的10-100倍，同时具有较大的比容量和能量密度。法拉第赝电容器缺点：由于电极反应牵涉到了化学反应过程，往往会有不可逆的成分在，所以可逆性和循环性能相对较差。143-3混合型超级电容器3法拉第赝电容双电层电容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的一种超级电容器。定义：混合型超级电容器是电容器研究的热点。在超级电容器的充放电过程中正负极的储能机理不同，因此其具有双电层电容器和电池的双重特征。混合型超级电容器的充放电速度、功率密度、内阻、循环寿命等性能主要由电池电极决定，同时充放电过程中其电解液体积和电解质浓度会发生改变。153-3混合型超级电容器3锂离子电容器结构图163-3混合型超级电容器3锂离子电容器机理电解液中的Li+嵌入到石墨层间形成嵌锂石墨，同时，电解液中的阴离子则吸附在活性炭正极表面形成双电层。Li+从负极材料中脱出回到电解液中，正极活性炭与电解液界面间产生的双电层解离，阴离子从正极表面释放，同时电子从负极通过外电路到达正极。充电放电17三种超级电容器对比3三种超级电容器的优缺点对比结构419超级电容器的结构超级电容器结构电极电解液隔膜导电剂粘结剂集流体无机电解液有机电解液离子电解液电极材料420超级电容器的结构集流体电极材料电解液隔膜超级电容器的结构示意图421超级电容器的结构超级电容器的电极材料44224-1超级电容器的电极材料1.活性炭优势：1、成本低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，能达到500F/g，一般为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4234-1超级电容器的电极材料2.碳纳米管多壁纳米管优点：高导电率，比功率高，单壁纳米管缺点：比表面积小，成本高。因此一般作为添加剂使用4244-1超级电容器的电极材料3.碳气凝胶碳气凝胶制备方法：甲醛、间二苯酚以Na2CO3催化热凝凝胶丙酮置换无水凝胶液体CO2置换超临界干燥气凝胶炭化碳气凝胶优点：电子导电性好缺点：制备工艺复杂所用药品毒性较大4254-1超级电容器的电极材料4.石墨烯石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，碳原子之间相互连接成六角网格。铅笔里用的石墨就相当于无数层石墨烯叠在一起。什么是石墨烯？4264-1超级电容器的电极材料4.石墨烯石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大比表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比，在能量储存和释放的过程中，显示了一些新颖的特征和机制。什么是石墨烯超级电容器？4274-1超级电容器的电极材料4.石墨烯石墨烯超级电容器的优缺点大功率具有非常高的电导率104~106S/m非常大的比表面积~2675m2/g超大的杨氏模量~1TPa超强的断裂强度~130GPa石墨烯层间易堆积，降低了比表面积，同时也阻碍了电解液进入电极表面。快速充放电循环稳定性强价格较贵，5000元/g优点缺点4284-1超级电容器的电极材料4.石墨烯超薄平面石墨烯超级电容器更能有效发挥石墨烯片层的双电层作用新型设计传统设计层层堆叠阻碍石墨烯片层的双电层作用的发挥石墨烯电极结构设计4石墨烯上生长纳米晶体Ni(OH)2比电容高达1335Fg-1,并具有良好的电容保持特性石墨烯上生长聚吡咯电化学沉积聚吡咯，比电容高达1510Fg-1,面积比电容为151mFcm−2石墨烯/赝电容材料复合电极4-1超级电容器的电极材料4.石墨烯4304-1超级电容器的电极材料4.石墨烯层次化聚苯胺纳米线/石墨烯石墨烯/赝电容材料复合电极a）b）4RuO2纳米粒子/石墨烯4-1超级电容器的电极材料4.石墨烯石墨烯/赝电容材料复合电极44-1超级电容器的电极材料法拉第赝电容对金属化合物的要求要求高比表面—高比容量低电阻率—高比功率化学稳定性—长寿命高纯度—减少自放电价格低—便于推广使用44-1超级电容器的电极材料三种主要的赝电容器电极材料贵金属廉价金属导电聚合物1.贵金属RuO2电容性能的研究（1）使用硫酸作为电解液，容量高，功率大，成本高。（2）热分解氧化法比容量为380F/g，溶胶凝胶法为768F/g。2.添加W、Gr、Mo、V、Ti等的氧化物（1）降低成本（2）复合后性能提高1.MnO2材料溶胶凝胶法制得的MnO2水合物在KOH溶液中的比容量为689F/g2.NiO材料溶胶凝胶法制得的多孔NiO比容量为265F/g3.多孔V2O5水合物比容量为350F/g）（在KCl溶液中）4.Co3O4干凝胶1.研究情况聚苯胺、聚对苯、聚吡咯、聚并苯、聚噻吩、聚乙炔、聚亚安酯等2.性能特点可快速充放电、温度范围宽、不污染环境3.存在的问题（1）稳定性差（2）循环性能较差4WO3/RuO2比容量高达560F/gRu1-xGrxO2比容量高达840F/g4-1超级电容器的电极材料导电剂、粘结剂和集流体导电剂：导电炭黑、乙炔黑和导电石墨。粘结剂：羧甲基纤维素钠(CMC)、羧基丁苯胶乳(SBR)和聚偏氟乙烯(PVDF)。集流体：钛材料(酸性电解液)、镍材料(碱性电解液)和铝材料(有机/离子电解液)。44-2超级电容器的电解液性能要求电解液44-2超级电容器的电解液碱性电解液(KOH等)。四氟硼酸甲基三乙基铵(MeEt3NBF4)按照电解液的类型可以分为水系电解液和有机系电解液水系电解液中性电解液(NaSO4等)酸性电解液(H2SO4等)有机/离子电解液四氟硼酸四乙基铵(Et4NBF4)44-2超级电容器的电解液有机系超级电容器和水系超级电容器的特性对比44-2超级电容器的电解液有机系超级电容器的优缺点44-2超级电容器的电解液水系超级电容器的优缺点44-3超级电容器的隔膜日本高度纸业(NKK公司)和美国Celgard公司1.用于小型超级电容器的无纺布隔膜（扣式）2.用于大型超级电容器的纤维素隔膜（卷绕式或叠层式）日本高度纸业(NKK公司)4制作工艺5超级电容器的制作工艺5磨料行星球磨机搅拌真空搅拌机涂布涂膜机辊压辊压机模切半自动极片模切机叠片半自动叠片机焊接极耳超声波极耳金属点焊机压制电芯热平压机顶侧封装热封装机注液注液机静置真空静置箱预封真空预封机二次封口真空封装机切边气动切边机折边真空折边机烫边烫边机测试超电测试仪软包超级电容器制作工艺流程图超级电容器的制作工艺5圆柱形超级电容器制作工艺流程图磨料行星球磨机搅拌真空搅拌机涂布涂膜机辊压辊压机分条自动分条机卷绕手动卷绕机焊接极耳超声波极耳金属点焊机压制电芯热平压机顶侧封装热封装机注液注液机静置真空静置箱预封真空预封机二次封口真空封装机切边气动切边机折边真空折边机烫边烫边机测试超电测试仪性能指标6超级电容器的性能指标6性能指标额定容量额定电压额定电流漏电流循环寿命能量密度功率密度等效串联电阻自放电超级电容器的性能指标6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。额定电压可使用的最高安全电压。在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上（如2.3V、2.5V、2.7V），如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。额定电流5秒内放电到额定电压一半的电流。功率密度单位质量的输出功率。P=V2/(4m*RESR)（V为超级电容器的工作电压窗口，m为活性材料的质量，RESR为等效串联电阻）超级电容器的性能指标6自放电与自漏电本质上是一样的，针对超级电容器的结构，相当于在电容内部是正极和负极之间有一条高阻电流通道，这就是意味着在电容充电的时候，同时会有一个额外的附加电流，当在充电是时候，我们可以将此电流当成漏电流；当移去充电电压后，同时电容没有连接负载，这个电流使电容处于放电状态，此时我们将此电流看成自放电电流。为了可靠地测量漏电流或者放电电流，电容必须被连续充电72小时以上，这同样是由电容的结构决定的。自放电能量密度单位质量活性材料的能量，E=0.5CV2（C为活性材料的比容量，V为超级电容器的工作电压窗口）。超级电容器的性能指标6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。寿命终了的标准为电容量低于额定容量20%，等效串联电阻增大到额定值的1.5倍。循环寿命通过恒电流充放电测试，根据恒流充放电曲线可计算出比容量，由此可得到比容量与循环次数的关系。等