电化学超级电容器

姓名：严臣凤学号：10121570125 班级：应化（1）班

电化学超级电容器

电化学超级电容器(electrochemical supercapacitor)亦称超大容量电容器，是一种介于电池和静电电容之间的新型储能器件。超级电容器具有功率密度比电池高、能量密度比静电电容高、充放电速度快、循环寿命长、对环境无污染等优点，成为本世纪的一种新型绿色能源。利用超级电容和电池组成混合动力系统能够很好地满足电动汽车启动、爬坡、加速等高功率密度输出场合的需要，并保护蓄电池系统。另外超级电容器可以用于电路元件、小型电器电源、直流开关电源等，还可以用于燃料电池的启动动力，移动通讯和计算机的电力支持等。

1．1 电化学超级电容器类型

电化学超级电容器依据其储能原理可以分为双电层电容器、法拉第准电容器、混合型电容器和锂离子电容器，电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。

（1）双电层电容器双电层电容器是建立在

双电层理论基础之上的．双电层理论由l9世纪末

Helmhotz等提出．Helmhotz模型认为电极表面的

静电荷从溶液中吸附离子，它们在电极／溶液界

面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一

个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号

相反的界面层．由于界面上存在位垒，两层电荷

都不能越过边界彼此中和，因而形成了双电层电

容．为形成稳定的双电层，必须采用不和电解液

发生反应且导电性能良好的电极材料，还应施加

直流电压，促使电极和电解液界面发生“极化”．

(2)法拉第准电容器法拉第准电容器

(Faradic capacitor)是在电极材料表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附／脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容器，其储能过程不仅包括双电层存储电荷，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子(如H+、OH、Li+等)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极／溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容器的充放电机理。

(3)混合型电容器混合型电容器(hybrid capacitor)一般由双电层电容过程和法拉第准电容过程共同来构成，一部分是由碳电极形成双电层电容，另一部分是由导电聚合物或金属氧化物电极进行氧化还原反应或锂离子嵌入反应形成法拉第准电容。在水溶液电解质体系中，可以形成碳／氧化镍、碳／二氧化锰等混合电容器；在有机电解质体系中，可以形成双电层碳／锂离子嵌入型碳的锂离子型混合电容器。

(4)锂离子电容器锂离子电容器(1ithium—ion capacitor)是一种特殊的混合型电容器，它是将锂离子充电电池的负极与双电层电容器的正极组合在一起构造，是一种正负极充放电原理不同的非对称电容，因而同时具备双电层电容和锂离子电池的电化学储电性能。

1．2超级电容器电极材料

高性能超级电容器需要具有高比功率和高比能量的特征，而电极材料的表面积、微结构、电导率、电化学活性和稳定性等因素都能影响电容器性能。电化学超级电容器电极材料主要有三种：碳基材料、过渡金属氧化物及其水合物材料和导电聚合物材料。

(1)碳材料用于电化学超级电容器电极的碳材料主要有：活性炭粉末、炭黑、碳纤维、玻璃碳、碳气溶胶、纳米碳管等。对于碳材料，采用高比表面积可得到大电容。根据双电层理论，电极表面的双电层电容平均约为25ffF／cm2，如果比表面积为1000m2／g，则电容器比容量为250F／g。目前碳的比表面积可达2000m2／g，水系和非水系的比电容分别达到280F／g和120F／g。碳材料的电容量不仅仅局限于双电层的限制，碳表面的活性基团(如--COOH、一OH等)也可能发生吸附反应而产生准电容。所以，表面处理对电容量有很大

的影响，其改性方法有液相氧化法、气相氧化法、等离子体处理、惰性气体中进行热处理等，可以增加表面积和孔隙率，增加官能团浓度，提高润湿性能。碳材料有较高的等效串联内阻，在碳电极中掺人金属，使用金属泡沫做高比表面积活性炭的电流收集器，或者制作真空升华金属沉积层，都可以提高导电性。

(2)过渡金属氧化物金属氧化物超级电容器所用的电极材料主要是一些过渡金属氧化物，例如MnOa、V2 05、Ru02、Ir02、NiO、W03、Pb02和C03 04等。电容性能最好的过渡金属氧化物超级电容器是以氧化钌(Ru02)为电极材料，由于RuOz电导率比碳大两个数量级，在硫酸(H2S04)溶液中稳定，性能也更好，在HzS04电解液中其比容能达到700 760F／g。此外，碳与金属氧化物制成的超级电容器比单独用碳制成的电容器具有更高的比能量和比功率，其方法是在活性碳上沉积无定形氧化钌膜薄层，其比容量可达900F／g。由于金属钌价格昂贵，为了降低成本，探讨其他金属氧化物取代或部分取代钌的超级电容器。例如从Mn02及NiO等常规过渡金属氧化物中找到电化学性能优越的电极材料以代替RuOe。采用液相法把醋酸镍制成NiO微纳米颗粒的比容量达到64F／g，采用热分解把KMn04制成Mn02超细颗粒的比容量达到240F／g，用醇盐水解溶胶凝胶方法制备C0203超细颗粒的比容量达291F ／g。

(3)导电聚合物导电聚合物(conductive polymer)应用于电化学超级电容器电极材料是一个新的发展方向，一般将共轭聚合物的电导性与掺杂半导体进行比较，P型掺杂和n型掺杂分别用于描述电化学氧化和还原的结果。导电聚合物借助于电化学氧化还原反应在电子共轭聚合物链上引入正电荷和负电荷中心．正、负电荷中心的充放电程度取决于电极电势。具有高电化学活性的导电聚合物在充放电过程中进行快速可逆的P型或n型掺杂和去掺杂的氧化还原反应，使导电聚合物达到很高的存储电荷密度，产生法拉第准电容，因此，它是通过准法拉第过程实现储电功能。

1．3超级电容器和其他储能器件比较

电化学超级电容器是一种介于普通静电电容器和可充电电池之问的新型储能器件，表

4-3是超级电容器、静电电容器和可充电电池的电化学储电性能比较，从表中可以看出超级电容器的能量密度、功率密度和充放电次数都介于静电电容器与可充电电池之间。超级电容器不同于普通静电电容器和叮充电电池，其存储的能量可达到静电电容器的100倍以上，特别是高性能锂离子电容器的能量密度已经接近于铅酸电池，同时其功率密度高出可充电电池10～100倍，接近于双电层电容器。因此，电化学超级电容器具有非常高的功率密度和较高的能量密度、充电速度快、使用寿命长、低温性能优越等特征，具有许多化学电池无法比拟的优点，从发展趋势看，超级电容器将来会取代或部分取代化学电池。

1．4超级电容器主要应用领域