超级电容器 指导教师:唐致远 朱姜涛 2012.11.11
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超级电容器指导教师:唐致远
朱姜涛 2012.11.11
基本介绍 超级电容器与电池的比较 超级电容器分类 超级电容器的电极材料 超级电池
介于电池和静电电容器之间;
高功率密度、高充放电效率、良好的可逆性、长循环寿命及无污染 。
能量密度低,非水体系需要高纯、无水材料,比较昂贵
基本介绍
107
106
105
104
103
100
10
10.01 0.05 0.1 0.5 1 5 10 50 100 500 1000
Sp
ecif
ic p
ower
(w
/kg
)
Specific energy ( Wh/kg )
CapacitorsCapacitors
Electrochemical
capacitors
Electrochemical
capacitors
BatteriesBatteriesFuel cellsFuel cells
超级电容器电极的循环伏安曲线
++ii
––ii
– voltage, V + +
ideal non ideal
超级电容器的充放电曲线
t, time
V,
volt
Charging Discharging
ideal non ideal
超级电容器与电池的比较• 结构——单体中都含有电极、电解质和隔膜材料 ;
• 生产工艺——电池生产线几乎不用改动就可用于生产电
化学电容器;
• 测试手段——所有用于电池的测试手段都可用于电化学
电容器。
电容器 电池
具有特征的斜坡式充电和放电曲线
理想地具有恒放电或充电电位, Li嵌入系统除外
具有相对差的能量密度 具有适当或良好的能量密度,取决于活性材料的等效重量和电极电位
具有良好的功率密度 具有较差的功率密度,决定于动力学
具有卓越的循环能力或循环寿命,由于电荷的简单充入和脱出
由于氧化还原的不可逆性和三维相变过程,具有较小的循环寿命,(电容器)的 1/100~1/1000
具有长寿命,除非集流体被腐蚀等 较差的寿命,由于活性材料的重新产生或劣化
具有小的或无极化 具有明显的随温度变化的极化(法拉第内阻)
• 双层型( EDLC )——主要是双层充电,主要是多孔碳材料;
• 准电容型( psuedocapacitor )——二维法拉第反应, RuO2 及部分金属氧化物;
• 导电聚合物电容器——电解质为导电聚合物,可归入准电容型;
• 混合型电容器( hybrid capacitor )——正极为金属氧化物,负极为活性炭或电极为复合材料。
超级电容器分类
超级电容器的电极材料
超级电容器电极材料的要求
研究现状
•高循环能力,循环寿命 >105 次;•长期稳定性,与循环寿命有关;•对电极表面电化学氧化或还原的阻力小;•高比表面积,大约 1000-2000m2g-1 ;•在溶液分解限度内循环的最大工作电位范围;•最优化的孔径分布,对应最大的比表面积和最小的电解质内阻(最小 es
r )•良好的润湿性,因而有利的电极 / 溶液界面接触角(取决于孔结构);•最小的内阻,由实际电极材料及相互接触造成的欧姆内阻;•电极材料形成机械性能良好的电极构造的能力(例如,将粉末与粘结剂、
纤维或机织 物纤维、气凝胶材料、玻璃碳结构压实)和开路时最小自放电的性能。
超级电容器的电极材料要求
碳材料
导电聚合物
贵金属氧化物
过渡金属氧化物
性能良好
价格廉价
对环境友好
研究现状
• 虽然碳材料的价格低廉,具有大的比表面积,但是碳材料作为电容器材料时,比容量相对较低。
• Anon 等利用比表面积为 2000 m2•g-1 的活性炭在水系和非水电解质中获得了高达280 F•g-1 和 120 F•g-1 的比容量,是目前活性炭材料所能达到的最大比容量
碳材料
导电聚合物材料具有良好的电子导电性,内阻小,比容量大,通常比活性炭材料高 2 ~ 3 倍,具有塑性,易于制成薄层电极
用导电聚合物作电化学电容器电极材料时,稳定性较差。
导电聚合物材料
昂贵的价格还是限制了它们的广泛应用;又因为它们一般具有较强烈的毒性,对环境污染严重,为此人们致力于寻找性能良好、价格低廉并且对环境无污染的电极材料来替代贵金属材料。
贵金属氧化物材料
过渡金属氧化物材料 • Anderosn 等用溶胶凝胶法制备的 MnO2 的比容量比由沉
积法制备的 MnO2 的比容量高出 1/3 之多,达到 698 F•g-
1 ,且循环巧 1500 次后,容量衰减不到 10% 。• Chan 等人采用液相法合成了 NiO 超微粒子,在 30 °C 下
焙烧制成 NiO 电极,单电极比容量达到 256 F•g-1
• 王晓迪以 [Co(NH3)6]3+ 络合离子和 Co2+ 为前驱物, 80 °C湿法制备 Co3O4 ,经 XRD 测试为纯相尖晶石型 Co3O4 ,通过对 TEM 照片分析,粒径为 4 ~ 6 nm ,将 Co3O4 制备成电极,在对电极进行测试后发现比电容达到 224.9 F•g-1
超级电池
将超级电容器电极与各种电池型电极全部或部分混合,构成非对称型超级电容器或超级电池已经成为一个新的发展方向。
背景 二次电池的功率密度较小,不能满足 HEV 在启动、加速、爬坡时的需要,并因为较差的循环寿命,而无法应用在 HEV上。 而作为绿色能源的超级电容器比起二次电池,有高功率密度,较短的充放电时间和较长的循环寿命,但是它的能量密度很小,也不能成为 HEV 理想的电源
所谓超级铅酸电池,是将非对称型超级电容器和铅酸电池并联结合在一个独立的单体中,构成一个混合型能量存储装置。它不需要额外的电子控制部分管理两个装置之间的电流,而增加系统的复杂性和成本。
超级铅酸电池
Lam 等用 PbO2 作为正极和 Pb-AC 作为负极制成了铅酸超级电池,它具有混合电容器和铅酸电池的优点。与铅酸蓄电池对比,它具有更高的功率密度和更低的成本。但是由于它的负极仍然使用铅粉,其对环境还是具有潜在的危害。
超级锂离子电池
Amatucci 等采用 Li4Ti5O12 作为阳极和用 AC 与插入混合物(比如 LiFePO4 , LiCoO2 )作为混合阴极组成了混合电池电容器。它结合了混合电容器和锂离子电池的优点,其能量密度比电容器的高,功率密度比锂离子电池的高,能满足 HEV 实际应用时的需要。并且它比起铅酸超级电池,混合电池电容器有更高的能量密度和较少的污染,值得进一步研究。
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