超級(jí)電容器發(fā)展與機(jī)遇課件

超級(jí)電容器：挑戰(zhàn)與機(jī)遇超級(jí)電容器：挑戰(zhàn)與機(jī)遇能源的采集和儲(chǔ)存水電太陽能煤電風(fēng)能生物能化學(xué)能能量?jī)?chǔ)存電能能源的采集和儲(chǔ)存水電太陽能煤電風(fēng)能生物能化學(xué)能能量?jī)?chǔ)存電能3電池法拉第過程電容器贗電容電容器一次電池鎳氫電池鋰離子電池液流電池鉛酸電池金屬空氣電池，等非法拉第過程極板極化過程法拉第過程常用電化學(xué)儲(chǔ)能裝置陶瓷電容器高分子固體電容器電解質(zhì)電容器超級(jí)電容器雙電層電容器3電池法拉第過程電容器贗電容電容器一次電池鎳氫電池鋰離子電池電化學(xué)儲(chǔ)能器件的特性和應(yīng)用4微電子電動(dòng)汽車電網(wǎng)儲(chǔ)能Capacitors（電容）高功率密度

低能量密度Batteries（電池）

高能量密度

低功率密度目標(biāo)高能量密度

高功率密度電化學(xué)儲(chǔ)能器件的特性和應(yīng)用4微電子電動(dòng)汽車電網(wǎng)儲(chǔ)能Capac電極容量:φφ1-4V2-10?(A)(B)充電前雙電層電容器的工作原理能量密度：充電完成總?cè)萘抗β拭芏汝栯x子陰離子活性炭負(fù)極正極活性炭電極容量:φφ1-4V2-10?(A)(B)充電前雙電層電電解質(zhì)氧化降解區(qū)間電解質(zhì)還原降解區(qū)間活性炭（正極）活性炭（負(fù)極）雙電層電容器（EDLC）雙電層電容器的儲(chǔ)能限制（電壓）電壓：2.7V（有機(jī)體系）能量密度5-9Wh/kg陽離子陰離子活性炭負(fù)極正極活性炭電解質(zhì)氧化降解區(qū)間電解質(zhì)還原降解區(qū)間活性炭（正極）活性炭（負(fù)鋰離子電池工作原理Graphite+Li++e-Graphite-LiLiFePO4Li++e-+FePO43.器件壽命Electrode(Network)StabilitySideReactions（副反應(yīng)）

(electrolyte/electrode)(insulatedSEILayer)1.能量密度CellVoltage（電壓)ElectrodeCapacity

（容量）

(numberofelectrons/ions)2.功率密度ElectronTransportRateIonDiffusionRate

(電子－離子遷移速度)discharge7AnodeCathodeCarbonblackCarbonblack～0.01V（石墨）工作電壓>3.0V能量密度：100-265Wh/kg鋰離子電池工作原理Graphite+Li++e-Gr陽離子陰離子活性炭1.2V負(fù)極正極活性炭雙電層電容器陰離子活性炭鋰離子鋰離子電容器石墨0.01V鋰離子電容器負(fù)極正極陽離子陰離子活性炭負(fù)極正極活性炭雙電層電容器陰離子活性炭鋰離雙電層電容器（EDLC）石墨鋰離子電容器儲(chǔ)能機(jī)理活性炭（負(fù)極）活性炭（正極）電解質(zhì)氧化降解區(qū)間電解質(zhì)還原降解區(qū)間電壓：2.2-4.0V能量密度

15-20Wh/kg陰離子活性炭鋰離子石墨雙電層電容器石墨鋰離子電容器儲(chǔ)能機(jī)理活性炭（負(fù)極）活性炭（正鋰離子電容器/index.php/EnergyAndEnvironment/LithiumIonCapacitor/lic_products/EnergyEnviron.Sci.2012,5,9363–9373鋰離子電容器/超級(jí)電容器的應(yīng)用消費(fèi)電子交通運(yùn)輸升降裝備工業(yè)自動(dòng)化超級(jí)電容器的應(yīng)用消費(fèi)電子交通運(yùn)輸升降裝備工業(yè)自動(dòng)化電極容量:進(jìn)一步提升電容器的能量密度（容量）能量密度：電容容量功率密度總?cè)萘浚–）受限于正極容量活性炭

～100F/g陰離子活性炭鋰離子鋰離子電容器石墨陽離子陰離子活性炭負(fù)極正極活性炭雙電層電容器需要：高比表面積，高比電容量，高電壓穩(wěn)定性，高導(dǎo)電性材料負(fù)極正極電極容量:進(jìn)一步提升電容器的能量密度（容量）能量密度：電容容石墨烯結(jié)構(gòu)碳材料家族一員;二維蜂巢狀晶格;可形成多孔結(jié)構(gòu);可形成摻雜/缺陷結(jié)構(gòu)。目前已知強(qiáng)度最高、最輕的材料RinaldoRaccichini.NatureMater.2014.石墨烯—超級(jí)電容器新機(jī)遇石墨烯結(jié)構(gòu)目前已知強(qiáng)度最高、最輕的材料RinaldoRac石墨烯材料作為超級(jí)電容材料的優(yōu)勢(shì)：RinaldoRaccichini.NatureMater.2014.高理論比表面積，可達(dá)2675m2g-1超高的電子導(dǎo)率，可達(dá)

106Scm-1(高能量密度)(高功率密度)

優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度(循環(huán)穩(wěn)定性)石墨烯基超級(jí)電容器電荷儲(chǔ)存機(jī)制Novoselov,K.

S.Nature.2012石墨烯—超級(jí)電容器新機(jī)遇石墨烯材料作為超級(jí)電容材料的優(yōu)勢(shì)：RinaldoRacci5.Nanoletter2010104863-48684.NanoLett.,

2008,

8

(10),pp3498–35023.J.Am.Chem.Soc.2014,136,2256?22591.Science,1537(2011);3322.Nat.Commun.5:4554(2014)研究報(bào)道的石墨烯基超級(jí)電容器5.Nanoletter2010104863-48機(jī)械剝離SiC模板法自下而上合成氧化石墨還原液相剝離CVD模板法RinaldoR.NatureMater.2014.生產(chǎn)成本石墨烯質(zhì)量ReductantNovoselov,K.

S.Nature.2012目前主要石墨烯合成方法機(jī)械剝離SiC模板法自下而上合成氧化石墨還原液相剝離CVD模低成本、規(guī)模化生產(chǎn)高質(zhì)量超級(jí)電容用石墨烯材料

(便宜的前驅(qū)體及低成本制備工藝)我們當(dāng)前的研究核心

提高產(chǎn)品密度(高體積能量密度);提高石墨烯材料可利用比表面積(高的比電容量);提高石墨烯產(chǎn)量(適用于工業(yè)級(jí)生產(chǎn));提高石墨烯純度(高電壓窗口);從合成角度來說:石墨烯超級(jí)電容器研發(fā)方向探索石墨烯基超級(jí)電容在不同領(lǐng)域及不同應(yīng)用尺度下的應(yīng)用

提高現(xiàn)有雙電層電容性能(能量密度及功率密度);鋰離子電容器(大尺度提高能量密度).低成本、規(guī)?；a(chǎn)高質(zhì)量超級(jí)電容用石墨烯材料我們當(dāng)前的研究核CommercialSCs(c)(d)Ourwork3.5VforEDLC4.2VforLIC容量：現(xiàn)有商用活性碳基超級(jí)電容的4-5倍石墨烯超級(jí)電容

部分研究成果高容量：175F／克

（有極體系）

350F／克

（水體系）極高比面積：4360米2/克低成本CommercialSCs(c)(d)Ourwork3.新型水系電容材料

（A）

高導(dǎo)電率

高容量快速充電速度鉛酸電容

（鉛－A）（鉛酸電池10－20倍的壽命和充電速度，相似的容量）超級(jí)水系電容器

（碳－A）（鋰離子電容相似的容量）超長(zhǎng)循環(huán)壽命大規(guī)模生產(chǎn)新型水系電容材料（A）高導(dǎo)電率鉛酸電容（鉛－A）超0102030405060708090100Electrode-Energydensity(Whkg-1)AC/Ni(OH)2/CNFAC/V2O5AC/RuO2-TiO2Anthraquinone/RuO2AC/Ni(OH)2AC/LiTiPAC/LiMn2O4AC/nanoneedle-MnO2Graphene/Graphene-MnO2AC/nanorod-MnO2AC/amorphous-MnO2TiO2(B)/ACLTO/ACLi2Ti3O7/ACAC/LiMn2O4AC/LiNi0.5Mn1.5O4Naturalgraphite/ACHardCarbon/ACArtificialgraphite/ACMetaloxide(hydrate)LithiummangaeseoxideManganeseoxideTitaniumoxideLiNixMn2-xO4LithiumionCapacitor非對(duì)稱電容器的預(yù)測(cè)能量密度EnergyEnviron.Sci.2012,5,9363–9373有機(jī)系