超级电容器

电极材料
电极材料是影响超级电容器性能的重要因素。 为了进一步提高超级电容器的容量和循环寿命，最主要的 是开发新的高比容量，高比功率的电极材料。 超级电容器的电极材料可以分为以下几类:炭电极材料， 金属氧化物电极材料，导电聚合物电极材料，复合电极材 料。
碳电极材料
目前已经开发用在双电层电容器上的碳材料有:活性炭 粉末、活性碳纤维、碳纳米管、膨胀性石墨、碳气凝胶、 炭黑和石墨烯等。 炭材料的性质中最为关键的几个影响因素为炭材料的表 面积和粒径分布，炭材料的电学稳定性，炭材料的导电 率。
在沿海岛屿、边远山区，地广人稀的草原牧场等地方， 风能和太阳能可作为解决生产和生活能源的一种可靠 途径。然而，这些能源还不能稳定地供给。将超级电 容器与风力发电装置或太阳能电池组成混合电源，超 级电容器在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能 量以电能的形式存储起来，在夜晚或风力较弱时放电， 可解决上述问题。
超级电容器还可用作汽车的主电源。
（4）工业领域
超级电容器在工业不间断电源(UPs)、安全预防 设备以及仪器仪表等方面得到广泛应用。
（5）消费电子领域
使用超级电容器做为储能元件的手电筒，充电只 需90秒，循环寿命可达50万次，可使用约135年。电 子玩具常要求瞬时大电流，而电池无法提供，使用超 级电容器作为电源不仅可以解决这个问题，还可以降 低使用成本、减轻质量。一种自动的切管工具用于替 代一种己经有十年历史的旧式手持切管设备。考虑实 际应用，要求能提供瞬间高功率及长寿命，并且要求 快速充电，一次充电能满足100次的切割工作，超级 电容器与电池混联后能使产品满足应用的需求。
超级电容器的研究及应用现状
美国、日本、韩国、俄罗斯、德国等国研究超级 电容器起步较早，技术相对比较成熟。
我国研究超级电容器相对较晚，始于上世纪 90年代，目前发展较为迅速。
超级电容器的储能原理
双电层电容器
双电层电容器的电解质一般为硫酸或氢氧化钾，电容是由 双电层所引起。双电层电容器的能量储存在双电层电容器 界面上，界面两边分别是电子导电的电极和离子导电的电 解液。其工作的电化学过程可以写成:
法拉第准电容电容器
法拉第准电容电容器，又称赝电容 器，它的储能机理是电活性离子在 贵金属电极表面发生欠电位沉积， 或在贵金属氧化物电极表面及体相 中发生的氧化还原反应而产生的吸 附电容。
法拉第准电容器通常具有更大的比电容，是双电层电容 的10一100倍。
混合型机制电容器
混合型机制电容器又称非对称电容器，它是利用两种不 同的电极材料做正负极制作的电容器，其中一极产生双 电层电容，另一极产生法拉第准电容。其优点是拓宽使 用电压范围并具有较高的能量密度。
普通金属氧化物电极材料目前研究的比较多的是MnO2 和NiO
图中ox为氧化态电极物质，red为还原态电极物质，其充放电过程与双 电层电容器基本相同，不同的是其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储， 而且包括电解液中离子在电极活性物质中发生氧化还原反应而将电荷储存于 电极中。不仅发生在电极表面，而且可深入电极内部，通常具有更大的电容 和更高的能量密度。
活性炭材料
对于碳材料而言，理论上，电容量与比表面积成正比， 因此如何提高碳材料的比表面积就是关键。 活性炭表面由大孔、中孔和微孔表面构成。电极受外电 压作用在孔表面形成电双层时，大孔主要起传输电解液的作 用，所形成的电双层对电容的贡献较小;中孔既起输送电解液 的作用又起电双层的作用;孔宽度小于2nm的微孔则仅部分形 成双电层贡献电容量。
不同温度下煅烧产物的SEM照片
产物的孔特性
循环伏安图
充放电图（1mA/cm2）
循环测试
鸡蛋壳膜碳化产物的SEM照片
金属氧化物电极材料
金属氧化物在电极/电解液界面产生的法拉第准电容远 大于炭材料表面的双电层电容，其容量大概是炭材料 电容容量的10一100倍，有很广阔的发展前景。 金属氧化物电极材料分为贵金属氧化物电极材料和普 通金属氧化物电极材料。 贵金属氧化物电极材料目前研究最成熟的是RuO2。
三、根据储能原理，超级电容器可分为三大类
(l)双电层电容器(EDLC)
(2)法拉第准电容电容器
(3)混合类型电容器
四、根据电解液不同，超级电容器可分为如下 三类
(l)有机系超级电容器 (2)水系超级电容器 (3)全固态超级电容器
超级电容器的结构
超级电容器的特点
超级电容器的应用
（1）绿色能源领域
超级电容器的组成
电极
集流体
隔膜
电解液
辅助部件
电解液
电解液的分解电压决定了超级电容器的最大可用电压。 电解质可以是水溶液也可是有机溶液。目前应用于超级电容 器的电解质主要是有机电解液，与水系电解液相比，有机电 解液内阻较大，所以开发导电性好、安全性好、成本低的水 系电解液或电解质固态化也是研发超级电容器的主要工作之 一。
超级电容器分类
一、根据电极材料的不同，超级电容器可 分为以下四种: (l)碳电极电容器
(2)金属氧化物电极电容器;
(3)导电聚合物电极பைடு நூலகம்容器;
(4)复合材料电极电容器
二、根据结构及电极上发生的反应，超级电 容器可分为以下两类。
（1）对称型超级电容器，其特点是两个电极 的组成相同，电极反应相同且反应方向相反。 （2）非对称型超级电容器，两个电极组成不 同或反应不同，例如由n型和p型掺杂的导电 聚合物作电极的超级电容器。
Different Carbon Structures Used in EDLCs with Onion-like Carbon (OLC), Carbon Nanotubes, Graphene, Activated Carbons, and Carbide-Derived Carbons
P. SIMON, AND Y. GOGOTSI, ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH, 2011.
超级电容器用导电PANI的制备及电化 学性能研究
（2）军事领域
近年来，超级电容器因具有功率密度高，充电 速度快，循环寿命长等优点受到军事家的青睐。例 如美军的“微波炸弹”，依靠其装有的超级电容器 发出的超强电磁脉冲深入掩体内部进行爆炸破坏， 打击威力极其强大。将超级电容器用于重型卡车， 装甲车以及坦克，可以实现快速启动。航母用的电 磁弹射器，要求在10～15秒内将飞机弹射出去，弹 射能量达120兆焦，最短起飞循环时间45秒，用超 级电容器供电可满足要求。
导电聚合物电极材料
导电聚合物电极材料的电容量主要也是有法拉第准电容提 供的。其作用机理是，通过导电聚合物在充放电过程中的 氧化还原反应，在聚合物中发生快速可逆的n型或p型元素 掺杂和去掺杂氧化还原反应，使聚合物达到很高的储存电 荷密度，产生很高的法拉第准电容而实现电能储存。
聚合物电极材料是由整个三维立体结构内发生快速可逆 的法拉第准电容反应实现储存能量的，因而比电容要优 于仅靠电极/电解液的界面双电层储能的碳材料电极的 比电容。通常聚合物电容器的比电容比活性炭作电极材 料的双电层电容器的比电容大2一3倍，其中以聚毗咯 (PPY)、聚曝吩(PTH)、聚苯胺(pAN)、聚对苯(PP)聚乙 烯二茂铁(PvF)等聚合物最具代表性。
（3）交通领域
将超级电容器与蓄电池并联作为汽车的启动电 源，在启动初始时，由超级电容器向启动机提供强 大的启动电流带动发动机转动，能延长蓄电池使用 寿命，此外，还可使汽车的起步速度大大提高。 汽车在制动过程中消耗的能量大约占总驱动能 量的30%，回收制动能量的有效方法是采用容量大 且能快速充放电的储能元件来收集能量。
超级电容器
超级电容器是一种性能介于常规电容器和二次电池之间的 新型储能元件。与传统意义上的电容器相比，超级电容器 具有更高的比电容量和能量密度，与二次电池相比则具有 功率密度高，充放电时间短，循环性能好，使用寿命长， 便于维护等特点。从某种意义上来说，超级电容器具备了 传统电容器和二次电池的双重功能，其功率密度远高于普 通电池，能量密度远高于传统电容器，填补了这两个传统 技术间的空白。超级电容器同时也可在极低温等极端恶劣 的环境中使用，并且无环境污染。