超级电容器发展与机遇课件

超级电容器：挑战与机遇超级电容器：挑战与机遇超级电容器：挑战与机遇能源的采集和储存能源的采集和储存水电太阳能煤电风能生物能化学能化学能能量能量储存电能电能能源的采集和储存水电太阳能煤电风能生物能化学能能量储存电能3电池电池法拉第过程电容器电容器赝电容电容器赝电容电容器一次电池镍氢电池锂离子电池锂离子电池液流电池铅酸电池金属空气电池，等非法拉第过程极板极化过程法拉第过程常用电化学储能装置常用电化学储能装置陶瓷电容器高分子固体电容器电解质电容器超级电容器超级电容器双电层电容器双电层电容器3电池法拉第过程电容器赝电容电容器一次电池镍氢电池锂离子电池电化学储能器件的特性和应用电化学储能器件的特性和应用4微电子电动汽车电网储能Capacitors（电容）容）高功率密度 低能量密度Batteries（电池）池）高能量密度 低功率密度目标目标高能量密度 高功率密度电化学储能器件的特性和应用4微电子电动汽车电网储能Capac电极容量:1-4V2-10(A)(B)充电前双电层电容器的工作原理双电层电容器的工作原理能量密度：充电完成总容量功率密度阳离子阴离子活性炭负极正极活性炭电极容量:1-4V2-10(A)(B)充电前双电层电电解质氧化降解区间电解质还原降解区间活性炭（正极）活性炭（负极）双电层电容器（EDLC）双电层电容器的储能限制（电压）双电层电容器的储能限制（电压）电压：电压：2.7 V（有机体系）（有机体系）能量密度能量密度 5-9 Wh/kg 阳离子阴离子活性炭负极正极活性炭电解质氧化降解区间电解质还原降解区间活性炭（正极）活性炭（负锂离子电池工作原理Graphite+Li+e-Graphite-LiLiFePO4Li+e-+FePO43.器件寿命器件寿命Electrode(Network)Stability Side Reactions（副反应）(electrolyte/electrode)(insulated SEI Layer)1.能量密度能量密度Cell Voltage（电压)Electrode Capacity（容量）(number of electrons/ions)2.功率密度功率密度Electron Transport RateIon Diffusion Rate (电子离子迁移速度)discharge7AnodeCathodeCarbon blackCarbon black 0.01 V（石墨）（石墨）工作电压工作电压 3.0 V能量密度：能量密度：100-265 Wh/kg锂离子电池工作原理Graphite+Li+e-Gr阳离子 阴离子活性炭1.2 V负极正极活性炭双电层电容器双电层电容器阴离子活性炭锂离子锂离子电容器锂离子电容器石墨0.01 V锂离子电容器锂离子电容器负极正极阳离子阴离子活性炭负极正极活性炭双电层电容器阴离子活性炭锂离双电层电容器（EDLC）石墨锂离子电容器储能机理锂离子电容器储能机理活性炭（负极）活性炭（正极）电解质氧化降解区间电解质还原降解区间电压：电压：2.2-4.0 V能量密度能量密度 15-20 Wh/kg 阴离子活性炭锂离子石墨双电层电容器石墨锂离子电容器储能机理活性炭（负极）活性炭（正锂离子电容器锂离子电容器http:/ Environ.Sci.2012,5,93639373锂离子电容器http:/ 100 F/g 阴离子活性炭锂离子锂离子电容器锂离子电容器石墨阳离子 阴离子活性炭负极正极活性炭双电层电容器双电层电容器需要：高比表面积，高比电容量，高电压稳定性，高导电性材料需要：高比表面积，高比电容量，高电压稳定性，高导电性材料负极正极电极容量:进一步提升电容器的能量密度（容量）能量密度：电容容石墨烯结构石墨烯结构石墨烯结构石墨烯结构q碳材料家族一员;q二维蜂巢状晶格;q可形成多孔结构;q可形成掺杂/缺陷结构。目前已知强度最高、最轻的材料RinaldoRaccichini.Nature Mater.2014.石墨烯石墨烯超级电容器新机遇超级电容器新机遇石墨烯结构目前已知强度最高、最轻的材料Rinaldo Rac石墨烯材料作为超级电容材料的优势：石墨烯材料作为超级电容材料的优势：石墨烯材料作为超级电容材料的优势：石墨烯材料作为超级电容材料的优势：RinaldoRaccichini.Nature Mater.2014.高理论比表面积，可达 2675m2g-1 超高的电子导率，可达 106Scm-1(高能量密度高能量密度)(高功率密度高功率密度)优异的化学稳定性及机械强度(循环稳定性循环稳定性)石墨烯基超级电容器电荷储存机制Novoselov,K.S.Nature.2012石墨烯超级电容器新机遇石墨烯材料作为超级电容材料的优势：Rinaldo Racci5.Nanoletter2010104863-48684.NanoLett.,2008,8(10),pp349835023.J.Am.Chem.Soc.2014,136,225622591.Science,1537(2011);3322.Nat.Commun.5:4554(2014)研究报道的石墨烯基超级电容器5.Nano letter 2010 10 4863-48机械剥离机械剥离SiCSiC模板法模板法自下而上合成自下而上合成氧化石墨还原氧化石墨还原液相剥离液相剥离CVDCVD模板法模板法RinaldoR.Nature Mater.2014.生产成本生产成本石墨烯质量石墨烯质量ReductantNovoselov,K.S.Nature.2012目前主要石墨烯合成方法机械剥离SiC模板法自下而上合成氧化石墨还原液相剥离CVD模q低成本、规模化生产高质量超级电容用石墨烯材料低成本、规模化生产高质量超级电容用石墨烯材料 (便宜的前驱体及低成本制备工艺)我们当前的研究核心我们当前的研究核心 提高产品密度(高体积能量密度);提高石墨烯材料可利用比表面积(高的比电容量);提高石墨烯产量(适用于工业级生产);提高石墨烯纯度(高电压窗口);从合成角度来说从合成角度来说:石墨烯超级电容器研发方向q探索石墨烯基超级电容在不同领域及不同应用尺度下的应用探索石墨烯基超级电容在不同领域及不同应用尺度下的应用 提高现有双电层电容性能(能量密度及功率密度);锂离子电容器(大尺度提高能量密度).低成本、规模化生产高质量超级电容用石墨烯材料我们当前的研究核Commercial SCs(c)(d)Our work3.5V for EDLC 4.2V for LIC容量：现有商用活性碳基超级电容的4-54-5倍倍石墨烯超级电容 部分研究成果高容量：175 F克（有极体系）350 F克（水体系）极高比面积：4360 米2/克低成本Commercial SCs(c)(d)Our work3.新型水系电容材料新型水系电容材料 （A A）高导电率 高容量快速充快速充电速度速度铅酸酸电容容（铅A）（铅酸酸电池池1020 倍的寿命和充倍的寿命和充电速度，相似的容量）速度，相似的容量）超超级水系水系电容器容器（碳（碳A）（锂离子离子电容相似的容量）容相似的容量）超长循环寿命超长循环寿命 大规模生产大规模生产新型水系电容材料（A）高导电率 铅酸电容（铅A）超0102030405060708090100Electrode-Energy density(Wh kg-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/LiNi0.5Mn1.5O4Natural graphite/ACHard Carbon/ACArtificial graphite/ACMetal oxide(hydrate)Lithium mangaese oxideManganese oxideTitanium oxideLiNixMn2-xO4Lithium ionCapacitor非对称电容器的预测能量密度非对称电容器的预测能量密度Energy Environ.Sci.2012,5,93639373有机系有机系水系水系0102030405060708090100Electrod2H2O 4H+O2+4e E0=1.23V太阳光和作用锂离子电池氢气燃料电池能量储能及转化的基本过程能量储能及转化的基本过程CO2+H2O 1/6 C6H12O6+O2 E0=1.24V 2H2O 4H+O2+4e E0=