超级电容器-1介绍

材料科学导论

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超级电容器的研究综述

摘要：超级电容器具有储存能量大、比功率大、耐低温、免维护、低污染等突出优点，广泛地应用在启动、牵引动力、脉冲放电和备用电源等领域。综述了超级电容器的发展和超级电容器的研究进展，认为要想更大地提高超级电容器的比容量和储能密度等，需要进一步对电极材料、电解质材料、加工工艺、结构设计等方面进行研究。

关键词：超级电容器；电极材料；电解质材料

Research summary of supercapacitor

Abstract: Supercapacitor could be used in start, traction, pulse-discharge and standby power with the advantages of high energy, high specific power, low temperature tolerance, maintenance free and low pollution. The research progress of supercapacitor and the development of super- capacitor were reviewed. It was concluded that in order to increase the specific capacity and energy density of supercapacitor, it was necessary to research the electrode materials, electrolyte material ,processing technology and structure design further.

Key words: supercapacitor；electrode material；electrolyte material

前言：超级电容器是位于电池和传统电容器之间的一种性能卓越的致密能源，具有储存能量大、质量轻、比容量大、比功率大、大电流放电性能好、能快速充电、循环次数多、耐低温、免维护、低污染等突出优点，可以作为独立电源或复式电源使用，广泛地应用在启动、牵引动力、脉冲放电和备用电源等领域。超级电容器的问世，实现了电容量由微法拉级别向法拉级别的飞跃，彻底改变了人们对电容器的传统印象，实现了电源技术的一次重大革命。

一、超级电容器发展

超级电容器电容量可达数千法拉。根据电容器的原理，电容量取决于电极间的距离、介质、电极表面积。为了获得如此巨大的电容量，超级电容器尽可能地缩短电极间的距离，增大电极表面积，为此利用双电层原理并采用椰壳活性碳多孔化高表面积电极。双电层介质在电容器两电极间施加电压时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带的电荷相反的电荷并被束缚在介质界面上，形成真正意义上的电容器的两个电极。由于两电极间距离极小，电极表面积极大，从而这类电容器具有极大的电容，可以储存极大的静电能量。当两极间电势低于电解液的氧化还原电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器正常工作，若电容器两端电位高于电解液的氧化还原电位时，电解液会分解，这是异常现象。由于随着超级电容器放电，正、负极板的电荷向外电路释放，电解液界面上的电荷相应减少。这里看出，超级电容器的放电 / 充电过程始终是物理过程，没有化学反应[1]。

1983年，Raistrick & Huggins成功地开发出很有市场潜力的商业化超级电容，被冠名为“Supercapacitor”。进入20世纪90年代后，为了满足机动车辆引擎的快速反应能力，延长蓄电池的使用寿命，人们开始着手考虑将超级电容与蓄电池联合使用，组成复合电源，以期达到特定要求，特别是电动车(EV)、高性能脉冲系统要求。美国能源部(DOE)以及欧洲共同体为此目的还专门制定了近期和远景规划。电化学超级电容器已经成为当前能源领域研究的热点。

目前，根据储能机制，超级电容器可分为电化学双电层超级电容器、过渡金属氧化物超级电容器和导电聚合物超级电容器；根据正负极活性物质是否为同一物质，将超级电容器分为对称型超级电容器和混合型超级电容器；根据电容器所用的电解质不同，将电容器分为水溶液的超级电容器(工作电压1～2V)和有机电解液的超级电容器(工作电压2～4 V)；按照结构和加工技术，超级电容器又可划分为利用MEMS 工艺形成的微型电容器和利用传统技术方法制作的普通超级电容器。

(1)更高的功率密度。电化学超级电容器

的放电电流可以达到上百安培，在大电流应用

场合，特别是高能脉冲环境，电化学超级电容

器可以更好地满足功率的要求。

(2)充放电时间短。电化学超级电容器的

一个充放循环时间很短，远远低于蓄电池的充

放循环所需要的时间。这可以很好地满足电动

汽车在启动、爬坡时对放电时间要求短的场

合。

(3)有更长的使用寿命。电化学超级电容

器的循环使用寿命可达10 万次以上，比目前

最好的电池的寿命也要长100倍左右。

(4) 更宽的工作温度范围。电化学超级

电容器可以在－45～70℃正常工作，而普通蓄电池的低温和高温性能很差。

小型的超级电容器主要用于各种微处理机、玩具车、闪光灯、电动手工具等；大型的超级电容器则主要用于各种内燃机的启动电源、电网闪络的保护和UPS、电动起重机的吊件位能回收、电力高压开关的分合闸操作、核反应堆控制、防护设备、航空通讯设备、无线电通讯、电阻焊机及科研测试设备等。

二、超级电容器机理

超级电容器根据储能机理，可分为双电层电容器(electric double—layer capacitor，EDLC)和法拉第准电容器(faradaic pseudocapacitor)两类。EDLC是通过电极与电解质形成的界面双电层存储静电能的，其电极材料主要是碳基材料；法拉第赝电容则是通过电极表面与电解质的快速可逆氧化还原反应或吸脱附存储电能，电极材料主要是过渡金属氧化物(RuO2、MnO2、NiO、Fe3O4和Co3O4等 ) 和导电聚合物 ( 聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等 )。法拉第准电容器的储存电荷过程包含了两部分：不仅有双电层上的存储，还有电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中的部分，因此通常具有更大的比电容。如RuO2等金属氧化物在电极/ 溶液界面法拉第氧化还原反应产生的准电容是双电层电容的10~l00 倍，远大于碳基电极材料表面的双电层电容，在高能量密度方面具有明显优

势。最近又出现了一种正负极分别采电池材料和活性炭材料的混合超级电容器