能源革命对外开放百家论坛之一三八 超级电容器的发展与能源革命(中①)
来源:党委宣传部 发布时间:2019-11-08 09:47:36 阅读量:

主讲嘉宾
  庞明俊,山西大同大学炭材料研究所副教授。研究方向为高质量石墨烯材料的合成与改性研究,高性能镍基、钴基和锰基电极材料的制备及其超级电容器性能研究等。她的研究对象主要集中在低成本的基于锰、钴、镍的三种金属氧化物,以及石墨烯与金属氧化物复合电极材料的制备等方面。曾发表学术论文20余篇,主持山西省教育厅高等学校科技创新项目1项,主持山西大同大学博士科研启动基金1项,并参与了多个重点项目的研究。
4 核心提示超级电容器的分类(一)
  由于超级电容器是一种新型产品,在结构、材料、性能等方面都进行了不同的更新调整。根据不同的内容,对超级电容器进行分类的方法是各不相同的。当前,对于超级电容器的分类一般参照电容器的原理、电解质等两大要素划分,每一类超级电容器又可分成不同的类别。根据不同的作用原理,超级电容器主要划分成双电层型超级电容器、法拉第赝电容型超级电容器等两大类。双电层型超级电容器,在制造材料上进行了更新处理,如:活性碳电极材料,结合高比表面积的活性碳材料加工后制成电极;碳气凝胶电极材料,结合前驱材料制备凝胶,再进行碳化活化处理作为电极。双电层电容具有寿命长、可逆性高、高输出功率、环境友好等优点。
  赝电容型超级电容器,一般采用了金属氧化物电极材料、聚合物电极材料。赝电容器是利用在电极表面发生的可逆法拉第准化学反应来储存能量。在电极面积相同的情况下,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。但是,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,可逆性和循环性能相对较差。与双电层电容不同的是,赝电容能量密度较高,但受限于电化学反应动力学以及反应的不可逆性,导致赝电容的充放电功率、循环寿命都比双电层电容要小。需要指出的是,由于活性官能团的存在,大部分超级电容器电极都存在着赝电容,比如,由石墨烯等纳米材料组成的双电层电容电化学响应,主要是由碳材料缺陷引起的氧化还原反应形成。
5 核心提示
超级电容器的分类(二)
  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的一种超级电容器。电池电极具有较高的能量密度,同时两者结合起来会产生更高的工作电压,因此混合型超级电容器的能量密度远大于双电层电容器。目前,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。
6 核心提示超级电容器的电极材料(一)
  超级电容器的电极材料主要有碳材料、导电聚合物、复合材料、金属(氢)氧化物等等。碳材料包括活性炭和石墨烯,碳材料作为超级电容器要满足以下几个条件:(1)具有较高的实际表面积;(2)多孔振列中,粒子具有较大的导电性;(3)材料表面与电解液要有良好的接触。目前,提高碳材料超级电容器能量密度、功率密度的手段主要是增大比表面积和合理控制新材料孔径。碳材料属于双电层超级电容器材料,在反复的充放电循环过程中可逆性较高,寿命较长。碳纳米管的优点是高导电率、比功率高,缺点是比表面积小、成本高,因此一般作为添加剂使用。
  活性炭是最早应用于超级电容器上电极材料,它的生产和制造都有着悠久的历史。制备活性炭的来源也非常的丰富,石油、煤都可以当做制备原料。超级电容器作为新型储能元件具有广阔的应用前景及巨大的经济价值。能量密度和功率密度是衡量电容器性能的主要指标,而电极材料的性质是决定电容器能量密度、功率密度等电化学性能的关键。对活性炭电极材料来说,活性炭的比表面积、孔径分布和表面性质是影响超级电容器电化学性能的重要因素,提高活性炭的比表面积及利用率可以提高电容器的能量密度;优化孔径则有利于提高电容器的功率密度;采用新型的活化工艺或表面改性处理,改变活性炭的表面性质也会对超级电容器的电化学性能产生重要影响。但现有的研究成果还不理想,为了进一步提高电容器的性能,加快其推广应用的步伐,开发集各种优良性能于一体、且具有实用价值的新型活性炭电极材料仍是广大研究者追求的目标。

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