车用超级电容器及其电极材料 报告人：王宾

一 超级电容器概念及原理 二 超级电容器的优缺点 三 超级电容器的工作原理 四 超级电容器的电极材料 五 超级电容器在汽车上的应用

一、什么是超级电容器？ 传统电容器

超 级 电 容 器 是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。

概念：超级电容器是近年来发展起来的一种新型的储能装置 , 是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能元件，兼有传统电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点，充电速度快循环寿命长（十万次以上）对环境无污染等特点。 参数 超级电容器 普通电容器 电池 能量存储 瓦-秒能量 瓦-小时能量 充电方式 横越两端的电压 （即用电池） 电流和电压 功率提供 快速放电，线性或指数电压衰减 在长时间内保持恒定电压 充电/放电时间 毫秒至秒 皮秒至毫秒 1至10小时 外形尺寸 小 小到大 大 能量密度 1至5KW/kg 0.01至0.05 KW/kg 8至600 KW/kg 功率密度 高，＞4000W/kg 高，＞5000 W/kg 低，100-3000 W/kg 工作电压 2.3V至2.75V（每节） 6V至800V 1.2V至4.2V每节 寿命 ＞10万个周期 150至1500个周期 工作温度 -40至+80℃ -20至+100℃ -20至+65℃

功 率 密 度 普通电容 超级电容器 电池 能量密度

二、超级电容器的优缺点 优点 1.电容量大：目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F； 2.充放电寿命很长：可达500000次,或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次； 3.可以数十秒到数分钟内快速充电； 4.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40至+80℃） 缺点： 1.如果使用不当会造成电解质泄漏等现象； 2.和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。

三、超级电容器的工作原理 超级电容器的分类 双电层超级电容器 金属氧化物（RuO2） 超级电容器 法拉第超级电容器（赝电容） 导电高分子聚合物 对称型 2、两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位 混合型超级电容器 非对称型 超级电容器的分类

1、双电层超级电容器 1.当外加电压加到两个极板上时，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在电荷电场力作用下，电解液与电极间的界面上形成相反的电荷， 以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同极之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。 集流体

2、赝电容超级电容器 赝电容，也称法拉第准电容，是在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，发生高度可逆的化学吸附，脱附或氧化，还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。 f F 1.欠电位？是指一种金属可在比其热力学可逆电位正的电位下沉积在另一基体上的现象 2.法拉第赝电容器的比电容是双电层电容器的10—100倍 3. 赝电容不仅在电极表面，而且可在整个电极内部产生，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。 4.混合电容器：对称和不对称 沉积原子 基底 ∑Fi＞∑fi 沉积原子 基底

3、混合型超级电容器 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。 电池电极具有高的能量密度，同时两者结合起来会产生更高的工作电压

四、电极材料 活性炭 活性炭纤维 炭气凝胶 碳纳米管 碳材料电极 超级电容器电极材料 金属氧化物电极（氧化钌（ＲｕＯ２）） 导电聚合物电极 活性炭 活性炭纤维 炭气凝胶 碳纳米管 碳材料电极 超级电容器电极材料 金属氧化物电极（氧化钌（ＲｕＯ２）） 1.活性炭是一种具有高度发达的孔隙结构和极大内比表面积的人工炭材料制品，具有价格低廉、制备工艺简单、技术成熟、性能稳定等优点。但活性炭（尤其是高比表面积活性炭）微孔丰富，比表面积利用率低，不利于电解液的浸润及双电层的形成。开发孔径分布合理、导 电性高和具有特殊表面化学性质、与电解液相匹配的活性炭是目前研究的重点。 2.一种性能，优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。具有比表面积大、孔径分布窄、导电性好等特点。但活性炭纤维表观密 度通常较低，导致体积比电容不高。为提高活性炭纤维的比电容，人们还采用高温氧化、电化学修饰及导电聚合物包覆等手段对活性炭纤维进行处理，取得了较好的效果。 3.一种质轻、比表面积大、中孔发达、导电性好、电化学性能稳定的纳米多孔无定形炭材料。但制备工艺复杂、时间长、价格昂贵及规模化生产难度大等不足制约着其商品化发展。 4.一种纳米级管状结构炭材料，是由单层或多层碳石墨片层卷曲而成的无缝中空管。具有独特的中空结构、良好的导电性、高的比表面积和适合电解液中离子移动的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构。 5.价格昂贵、对环境有污染等缺点在很大程度上限制了贵金属氧化物（ＲｕＯ２、ＩｒＯ２等）的工业化应用，因此减少贵金属用量、开发贵金属氧化物复合材料、寻求贵金属替代材料等是金属氧化物电极材料的研究重点及发展方向。 6.导电聚合物具有高能量密度、高功率密度和对环境无污染等优点，但热稳定性和循环性能较差，尚不能工业化应用。 导电聚合物电极

电弧法 化学气相沉积法（催化热分解法） 激光发法（制备单壁碳纳米管的有效方法） 激光重熔法 等离子腐蚀法 碳纳米管电极制备方法

电弧法 优点是设备比较简单,产量较 大"缺点是产物中含有较多的催化剂!无定型碳等杂质,需要进一步的提纯处理 电弧法制备碳纳米管示意图

化学气相沉积法（催化热分解法） 催化热分解法制备碳纳米管示意图

激光蒸发法（制备单壁碳纳米管的有效方法） 水冷铜收集器 真空 氩气 带有催化剂的石墨靶材 冷却水 激光 氩气 激光蒸发法制备碳纳米管示意图

激光重熔法和等离子腐蚀法 Si SiO2 Co 激光 1.稀HF浸泡 2.Ar中750-950 3.NH3 获得规则均匀的催化剂模板

碳纳米管的活化处理方法 1.KOH活化处理：Jiang等用KOH对化学气相沉积法制备的碳纳米管进行活化,比表面积从活化前的194.1㎡/g增加到510.5 ㎡/g

2. 空气或CO2： Li等用空气活化催化裂解法制备的碳纳米管,在480℃~750℃对其活化20min, 650℃达最大值175 2.空气或CO2： Li等用空气活化催化裂解法制备的碳纳米管,在480℃~750℃对其活化20min, 650℃达最大值175.27m2/g。

五、超级电容器在汽车上的应用

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