超级电容器由于其功率密度高、充放电速率快、循环寿命长等优点，逐步成为智能化储能器件领域的研究热点。目前商业化的超级电容器能量密度远低于锂离子电池，因为其储能主要依靠电极材料表层的界面反应。因此，超级电容器电极材料需要合理的三维设计，以增大电解质与电极的接触面积，从而增加界面反应，提高其性能。超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物、导电聚合物等等。基于碳材料的双电层超级电容器，其储能机制主要是物理吸附离子，故其能量密度较低，而基于金属氧化物等的赝电容器，是通过氧化还原反应储能，其能量密度虽然有所提高，但是功率密度不如双电层电容器。针对超级电容器功率密度和能量密度不能同时兼得的问题，我们通过对电容器材料的三维结构设计和改性，优化器件的性能。主要成果有：1）通过对商业的三聚氰胺泡沫进行一步碳化，制备出氮掺杂的、可压缩的、可弯曲的、电化学性能较高的三维泡沫碳，并且研究了碳化温度对三维泡沫碳性能的影响。适当的碳化温度为三维泡沫碳提供良好的机械性能，在压缩和弯曲过程中仍然能保持良好的电化学性能。氮的掺杂为泡沫碳提供了一部分赝电容，提高了材料的比电容，在0.5A/g电流密度下比电容高达221F/g，当电流密度增加到50A/g时，比电容仍然有100F/g。2）通过静电纺丝并碳化制备自支撑碳纤维片CNF，然后用CVD法在碳纤维表面生长碳纳米管CNT，制备出CNT-CNF复合材料。用KOH高温活化处理CNT-CNF，在700-750℃下，KOH活化90min，CNT-CNF复合电极的尖端完全张开，比表面积提高299.5m2/g（约为原始电极的5倍），比电容提高3-4倍。3）引入了一种电化学活化方法来改善MnO2@CNTs的电化学性能。在电化学活化过程中，溅射后的MnO2薄膜可以重构并形成3D纳米片结构，并伴随有电解液离子的嵌入。经过放电电流密度为10mA/cm2电化学活化的MnO2，在电流密度为0.5A/g时，比电容为404F/g，在100A/g时，电容仍然能保持78.7%。

随着电子设备及其多功能化应用的发展，智能化储能器件由于具有柔性、透明、弹性可拉伸等优点在人们的日常生活或某些专项领域发挥着日益重要的作用。相比于其他电化学储能器件，超级电容器因其功率密度高、充电速率快、寿命长等优点，已成为智能化储能器件领域的研究热点。目前，宏观二维平面组装构建的超级电容器件在智能化应用过程中出现功率密度与能量密度不能兼得，及电化学性能不稳定、机械形变强度低、寿命短等问题。基于此，本项目提出一种基于器件组元的微观组装的三维超级电容器件设计（三维储能器件）：1）增加一个维度可以解决超级电容的能量密度与功率密度不能兼得问题，2）微观组装设计不仅可增强器件在其宏观尺度的剧烈变化下的电化学性能稳定性，还可缓解电极内部应力聚集和释放引起的器件机械性能差和寿命短问题。本项目的研究将为面向智能化应用的储能电容器的制备提供科学依据和设计思路。

超级电容器储能系统已经广泛应用于电动汽车，风光发电储能，电力系统中电能质量调节，脉冲电源等 。

应用于电动汽车

超级电容器用于混合电动汽车中，由于汽车在行驶过程中经常需要加速启动或减速刹车，由于加速电动机需要很大的启动电流，大的启动电流对不论是蓄电池还是燃料电池都会造成大的伤害；而汽车进行减速制动时，根据研究制动所需要的能量占驱动能量的50%。如果加入超级电容储能器对汽车启动加速和刹车减速进行能量管理，既可以降低对电动汽车中蓄电池或燃料电池的伤害，又可以回收多余的能量，延长电动汽车的行驶里程。

应用于风光发电储能

太阳能和风能是最方便、最洁净的能源，目前普遍采用蓄电池作为贮能或缓冲装置，其存在的最大问题就是运行与维护费大、使用寿命短。超级电容器因其具有数万次以上的充放电循环寿命和完全免维护、高可靠性等特点，使得替换蓄驱动轴电动机发电机超级电容储能器输出机械能输入机械能放电充电电池成为一种必然趋势。超级电容器在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能量，在夜晚或风力较弱时放电，以维持系统平衡。

应用与电力系统

超级电容储能系统在电力系统中的应用目前主要为电能质量调节。在现实的供电系统中，由于非线性负载的广泛应用及大型电机的突然启停，电网电压谐波会增加，出现波形畸变，电压瞬间跌落等问题，这会对需要高质量的供电设备造成伤害，为了提高供电质量，超级电容储能系统作为储能元件来改善电能质量已经被广泛应用，主要分为：动态电压恢复器（DVR），配电静止同步补偿器（D-STATCOM），统一电能质量调节器（UPQR），不间断电源（UPS）。

应用于脉冲电源

移动通信基站、卫星通信系统、无线电通信系统以及军用装备，尤其是野战装备，大多不能直接由公共电网供电，而需要配置发电设备及储能装置。未来将引入激光武器、粒子束武器、微波武器、电磁炮等新概念武器的脉冲功率系统通过充电系统从电网吸收能量，如中等能量激光器和高功率微波武器需要100kW 到500kW 的脉冲电功率，并在毫秒数量级以内大功率释放脉冲电能，脉冲功率源技术的研究方向，往往是在追求如何产生更高的瞬时输出功率，提高效能。高功率电源的核心技术问题是研究高储能密度(kJ/kg)和高功率密度(kW/kg )的脉冲功率储能系统。超级电容器的高功率密度输出特性，可以满足这些系统对功率的要求。2100433B

超级电容是目前世界关注的课题，因其功率大、循环寿命长、高低温性能好等优于电池的特点，在电网调频，电动汽车，备用电源，激光武器等诸多领域有实际应用价值，研究意义重大。本项目将研究三氧化钼（MoO3）材料及其混合超级电容器件的性能，重点关注纳米MoO3电极材料的合成、表征及其赝电容特性，并用MoO3与活性碳（AC）材料构成混合超级电容，测试其单体器件的电化学性能，争取达到长寿命（>10K 次）、高比能量（15-30 Wh/kg）、高功率（1-2 kW/kg）的目标。关键是合成出高性能的MoO3纳米材料并探索其可调控合成方法，获得理想晶体结构和孔径结构的薄膜材料，通过碳包覆和金属离子掺杂方式，提高材料的电导率，拓宽反应电压范围，构建MoO3/AC混合超级电容体系。采用各种物理手段表征材料性能，用电化学方法检测MoO3材料和超级电容器件性能，分析材料和器件在充放电循环过程中的反应机理。

超级电容储能系统接入电网研究。 2100433B