超级电容器综述

超级电容器综述

电子技术查新训练文献综述报告

题目超级电容器技术综述

学号3130434055

班级微电132

学生赵思哲

指导教师杨莺

2014 年

5.超级电容器的电极材料

2.1超级电容器的电极材料

电极材料是超级电容器的关键，它决定着超级电容器的主要性能指标.[5]科学家们对各种具有特定属性的材料已进行了研究，探讨超级电容器的潜力和适用性先进的超

[6]

级电容器具有高容量的性能，如碳基材料、过渡金属氧化物和导电聚合物。

2.1.1炭材料

多孔炭材料比电容高，循环寿命长，且资源丰富、结构多样、成本适中，是超级电容器领域最为活跃的研究方向.如表2。

表2 各种炭材料和期前驱的关系[10]

a 活性炭（AC）

通过不同工艺炭化、活化制备的 AC 有很高的比表面积（1000～3000 m2/g），高的孔隙率，生产工艺简单且价格低廉，一直受到人们的青睐，是目前已经商品化的电极材料之一。

b 活性炭纤维（ACF)

活性炭纤维（ACF）是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料，高比表面积的活性炭纤维布是已商品化的电极材料之一。ACF 的制备一般是将有机前驱体纤维在低温（200～400 ℃）下进行稳定化处理，随后进行炭化活化（700～1000 ℃）。 ACF 具有比表面积高、孔径分布窄、导电性好及比电容高的特点。如图1.

（a）（b）

吸脱附等温线（a）和孔径分布曲线(b)[5]

图1 ACF的N

2

C 碳纳米管（CNTs）

碳纳米管（CNTs）由于具有化学稳定性好、比表面积大、导电性好和密度小等优点，是很有前景的超级电容器电极材料。

d 炭气凝胶（CAGs）

炭气凝胶（CAGs）是唯一具有导电性的气凝胶,具有导电性好、比表面积大、密度变化范围广等特点，且轻质、多孔、非晶态、块体纳米炭材料，其连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。它的孔隙率高达 80%～98％，典型的孔隙尺寸小于 50 nm，网络胶体颗粒直径 3～20 nm，比表面积高达 600～ 1100 m2/g，是制备双电层电容器理想的电极材料[8]

2.1.2过渡金属氧化物

金属氧化物电极在超级电容器中产生的法拉第准电容 (赝电容 )比碳材料电极表面的双电层电容要大很多。法拉第准电容是在电极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脱附或氧化还原反应。因为在金属氧化物电极上发生快速可逆的电极反应, 而且该电极反应能深入到电极内部, 因此能量存储于三维空间中, 提高了能量密度。[9]

举例：以RuO

为电极, 以硫酸为电解液, 其电化学过程可表示如公式1.[7]

2

2.1.3 导电聚合物电极材料

以导电聚合物作为超级电容器的电极材料, 主要是利用其掺杂去掺杂电荷的能力。其贮能机理是:通过电极上聚合物中发生快速可逆的n型、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贮存电荷密度, 从而产生很高的法拉第准电容。

[10]

2.2超级电容器的电极材料展望

超级电容器是继锂离子电池之后又一极具广泛应用潜力的新型储能器件，具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。电极材料是制约超级电容器发展的关键因素之一。对当前单一电极材料存在诸如多孔炭材料能量密度及功率密度低、贵金属氧化物价格高、导电聚合物稳定性差等不足之处，大力开发复合电极材料（如多孔炭／金属氧化物复合材料、多孔炭／导电聚合物复合材料等）已成为超级电容器电极材料领域的研究重点。复合电极材料的研发不仅能够实现材料性能和成本的合理平衡，而且有利于改善超级电容器的综合性能，加快其工业化应用进程。[11]

6.超级电容器的储能机理

如今，超级电容器储存的能量在运输系统中被使用。比如在中地铁网络系统，列车的加速和刹车需要使用多的能量。使用超级电容器就是来存储制动能量的一种方法.[12] 3.1超级电容器的储能机理

根据存储电能的机理不同，超级电容器可分为双电层电容器（Electric double layer capacitor, EDLC）和赝电容器(Pesudocapacitor)。

3.1.1双电层电容器机理

双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件，当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，称为界面双层。双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料，有活性炭（活性炭粉末、活性炭纤维）、碳气凝胶、碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙率有关。通常，孔隙率越高，电极材料的比表面积越大，双电层电容也越大。但不是孔隙率越高，电容器的容量越大。保持电极材料孔径大小在 2～50 nm 之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积，从而提高双电层电容。如图2。

图2 双电层电容器机理

3.1.2赝电容器机理

赝电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面或体相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/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于反应在整个体相中进行，因而这种体系可实现的大电容值比较大，如吸附型准电容为 2 000×10–6 F/cm2。对氧化还原型电容器而言，可实现的大容量值则非常大，而碳材料的比容通常被认为是 20×10–6 F/cm2，因而在相同的体积或重量的情况下，赝电容器的容量是双电层电容器容量的 10～100 倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物.[13]

3.2超级电容器储能特征

3.3超级电容器储能系统优点

超级电容器利用双电层原理直接储存电能，其容量可达数万 F，是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。超级电容器兼有常规电容器功率密度大、充电能量密度高的优点，可快速充放电，且使用寿命长、不易老化。超级电容器还具有一些自身的优势，它没有可动部分，既不需要冷却装置也不需要加热装置，在正常工作时，内部没有发生任何化学变化。超级电容器能够安全放电，安装简易，结构紧凑，