非对称型超级电容器的研究新进展.ppt

绿色化学介质与反应教育部重点实验室 Ideal Deligence Unity Innovation Sunshine 理 想 勤 奋 团 结 创 新 阳 光 绿色化学介质与反应教育部重点实验室 绿色化学介质与反应教育部重点实验室 绿色化学介质与反应教育部重点实验室 Ideal Deligence Unity Innovation Sunshine 理 想 勤 奋 团 结 创 新 阳 光 1、超级电容器的历史发展历程 2.超级电容器的基础知识 导电聚合物 超级电容器 对称型双电层电容器 静电作用（ helmholtz双电层 ）储能 对称型赝电容器 电化学作用储能 活性炭 碳气凝胶 碳纳米管 石墨烯 金属氧化物 非对称型超级电容器 电容型非对称电容器 双电层电极 混合型非对称电容器 双电层电容+赝电容 典型超级电容器和典型电池的电化学行为对比 2.1 超级电容器与电池的区别 将超级电容器与电池区分开来的主要电化学特征是： 超级电容器在恒电流充电时电压总是存在线性增加（或放电时减小），电荷存储（释放）自超级电容器电极。在电势扫描中，超级电容器通常显示出与电势无关的电容。因此，超级电容器的CV曲线应保持矩形，而在充电/放电过程中电流几乎恒定。 另一方面，电池显示突出和分离的峰值，具有显着的法拉第反应。电池通常在恒定电压阶段表现出相对平坦的充电/放电平台。 2.2 双电层电容器与赝电容器 赝电容据过程不同可分为三类：低电势沉积电容、氧化还原赝电容及离子嵌入型电容。 电池、电容式非对称超级电容器和混合电容器的典型CV和GCD曲线示意图 2.3 电容式非对称超级电容器与混合电容器 由图可知： 电池的CV和GCD曲线表现出明显的法拉第峰和充放电平台。相比之下，对于 电容式非对称超级电容器，两个电极都显示电容特性，从而产生理想的矩形CV曲线和三角形GCD曲线。 基于全电容电极的电容式非对称超级电容器的电化学性能可以根据从ΔQ/ΔU比导出的电容来评估。 对于混合电容器，电容式电池和电池型电极都已组合成一个器件，整个器件的CV和GCD曲线可以表现出更多类似电容的行为，与理想的电容特性明显偏离。 a）纯石墨烯和石墨烯/ MnO2电极的CV曲线； （b）石墨烯//石墨烯/ MnO2非对称超级电容器的CV曲线 2.4 赝电容电极材料电位窗口的热力学与动力学考虑 水性电解质中不同赝电容器材料的水和电位窗口的 电化学稳定性范围（vs SHE）的示意图 赝电容器电位范围可能会随着不同电解质（pH或离子类型）和活性材料结构（晶相或粒径）而变化。 由于氧官能团的法拉第反应性，碳超级电容器可能表现出1-5％的电容作为赝电容。而一些活性材料甚至可以更高，这取决于它们的氧官能团含量。 赝电容器总是表现出一些EDLC成分，通常约为5-10％，与其电化学可接触的界面面积成比例。 因此，超级电容器材料的实际电容应该是赝电容和双电层电容贡献的总和。 超级电容器的最大电位窗口总是低于预期电压窗口。原因如下： 一是由于电解质和活性材料中的杂质引起的寄生氧化还原反应。 二是由于正负极上电荷分布不均衡，在超级电容器的操作期间，必须平衡正电极和负电极之间的电荷（Q）。因此，如果一个电极的容量低于对电极的容量，则通过在该电极表面输入电化学电荷的方式，以平衡两个电极之间的电荷。 通过输入电荷平衡两极表面的电荷密度，随之初始电位E0改变，电化学窗口得到了提高。 E0对超级电容器的库仑效率和最大充电电压具有显着影响。 3. 实验评估的原理与方法 3.1 单电极的电容计算 对于单个电极，电容是关键参数，其反映了存储在给定电压下的电荷，更具体地说，总电荷存储能力。其次是电极的循环稳定性。 3.2 非对称超级电容器的电容和能量密度 对于完整器件，还可以根据CV，GCD和EIS测量来预估关键参数，例如电容，ESR，工作电压以及随后的时间常数，能量密度和功率密度等。 4. 非对称超级电容器举例 1 、RuO2基非对称超级电容器 LSG / RuO2?//活性炭非对称超级电容器 2、MnO2基非对称超级电容器 石墨烯水凝胶// MnO2?Ni泡沫非对称超级电容器 3、柔性非对称超级电容器 石墨烯/ MnO2自支撑薄膜作为正极，石墨烯/ Ag多孔膜作为负极 5、基于双电层电容的非对称超级电容器 用EMI-TFSI和EMI-BF4（20%）的混合物组装的电容器 6、氧化还原活性电解质基混合电容器 电荷存储示意图及候选氧化还原电对的氧化还原电位 CV曲线和相同系统的GCD曲线 7、双氧化还原活