超级电容器的关键材料

超级电容器的关键材料
超级电容器的关键材料包括电极材料､电解质､隔膜和集电材料等｡
（一）电极材料
电极材料是决定电容器电容量大小的主要因素,对电极材料的要求是电导率较高且不与电解质发生化学反应,表面积尽可能大,价格便宜,制备过程中易于成形｡
目前,超级电容器电极材料的代表是RuO2·nH2O,比电容已达到720F/g,但Ru资源稀缺且价格昂贵｡而成本较低的､比表面积较高的多孔碳电极材料,其比电容只能达到200F/g左右｡
（二）电解质
在电化学超级电容器中,电解质也是关键的组成部分,它不仅在电容器的性能上起着许多决定性的作用,还在相当大程度上决定着电容器实用的可靠性｡现在应用和研究的电解质大致可分为固态和液态两种,液态电解质又包含水溶液和有机溶液两类｡
1.水系电解质
在使用活性炭作为电极的EDLC中,H2SO4由于具有较低的凝固点,而且不存在KOH所具有的沉积结晶现象而被广泛应用｡考虑到电
导率等因素,研究者们认为30%是最佳浓度｡相对于H2SO4溶液而言,KOH水溶液导电性稍差,但腐蚀性弱于H2SO4,集电极可采用高导电的金属材料,因而被人们采用｡其他水溶液电解质,如HCl､H3PO4､HNO3及HClO4等,也被尝试作为EDLC的电解质,但效果不佳｡
2.有机电解质
有机电解质的一个重要研究内容是支持有机溶剂的电解质盐的开发和选用｡应用于EDLC的支持电解质种类不多,目前使用的阳离子主要是季铵盐(R4N+)和锂盐(Li+),此外季磷盐(R4P+)和芳香咪唑盐(EMI)也有报道;阴离子主要有ClO4-､BF4-､PF6-､AsF6-和(CF3SO2)2N-等｡在各种电解质盐中,Et4NBF由于具有良好的综合性能,因而在EDLC中得到了广泛的应用｡
3.固体电解质
固体电解质由于良好的可靠性､无电解质泄漏､可薄型化和可延长寿命等优点而备受青睐,也实现了全固态EDLC｡运用于EDLC的固体电解质分为无机固体电解质和有机固体电解质｡
1)无机固体电解质
无机固体电解质本身具有良好的导电性,人们对其用做EDLC的可能性进行了大量研究,尝试使用Rb2Cu8I3C17､β-Al2O3､HUO2PO4·H2O 和RbAg4I4等固态电解质作为EDLC的电解质,其中RbAg4I4最受人
们关注,它以Ag+作为导电载体,是目前唯一用于商品EDLC的无机固体电解质｡目前,无机固体电解质由于存在电压窗口窄(只有0.5V左右)和成本高等致命弱点而难以推广应用｡
2)有机固体电解质
目前研究最多的有机固体电解质是锂离子盐或季铵盐溶解于聚合物溶剂中形成的凝胶状固态电解质｡作为溶剂的聚合物有聚丙烯腈(PAN)､聚甲基丙烯酸酯(PMMA)､聚氧化乙烯-聚甲基丙烯酸酯共聚体(PEO-PMMA)和聚氧化乙烯(PEO)等｡
有机固体电解质用于EDLC的缺点是室温下大多数聚合物电解质的电导率很低,电极与电解质之间的接触差,并且电解质盐在聚合物基体中的溶解度也相对较低｡相比之下,胶体电解质除具有固体电解质的诸多优点外,还能与电极良好接触,而且聚合物基体负载的无机､有机
电解质,常温下仍具有接近原液的离子电导率,因而成为EDLC领域的一个新兴研究热点｡
此外,人们还研究了一些含水的无机胶体电解质,如
PVA-KOH-H2O和PEO-KOH-H2O等｡这类电解质由于含有水,因而它们的耐压范围与水系电解质相近,但与水系电解质相比,它们在保留水溶液电解质高电导率优点的同时,还能实现薄膜化,因而具有广阔的应用前景｡胶体聚合物电解质尽管室温电导率可达10-3S/cm以上,但它的力学性能差､成膜困难,在使用上存在一定的缺陷｡
4.对电解质的要求
实验中用到的水溶液电解质一般是由溶剂和电解质盐组成,对电解质的性能要求如下：
(1)高的电导率
电解液的离子浓度在最低程度上应当满足在最大容量下阳极能够形成双电层时所需浓度,当电解液的电导率与溶剂的介电常数不成正比,而与溶剂浓度的倒数成正比时,说明在此状态下电解质盐已经完全溶解于溶剂中,这时的电导率则只与离子的迁移能力有关｡在超级电容器中,电解液的电阻达到了内部阻抗的50%左右,在进行放电时,电压降会随着能量的损失而损失｡因此在大电流放电时,就会对电解质的电导率采取更高的要求来降低损失｡
(2)电解液应不与电极发生化学或电化学反应
超级电容器一般都是在电解液的分解电压范围内进行工作的,所以分解电压高的电解液就能提高超级电容器的工作电压,这就意味着电容器的容量也会随之升高｡
(3)要有较宽泛的温度范围
电容器的温度性质直接由电解质的温度性质来决定｡
(4)最好无毒无味､价格低廉､不易燃烧､配比简单､易于购买等｡
（三）隔膜
为了防止EDLC中两个相邻的电极之间发生短路现象,也给电解质溶液中的正､负离子迁移提供扩散通道,需要用一种适当的隔膜材料将两个电极分开｡隔膜的厚度､孔径及孔隙度对电容器单元体系的内阻､漏电流及其电压稳定性都有较大影响｡一般情况下,隔膜愈薄,孔隙率愈大,则单元电容器的内阻愈小｡因此要求隔膜材料应强度大､浸润性好及保湿性能良好等｡
（四）集电材料
单元电容器的耐压性和循环稳定性依赖于集电极的电化学稳定性｡一般要求使用强度高､质量轻的集电极,这样有利于提高单元电容器的功率密度和能量密度｡像铝和不锈钢这种电化学稳定性好､电导率高､强度高､质量轻以及价格便宜的材料适合用在非水基电解液的电容器中,而采用KOH电解质溶液的电容器则用镍箔或泡沫镍较合适｡至于昂贵的金属铂则用于采用H2SO4电解质溶液的EDLC｡
（五）外壳材料
外壳材料(有时兼具集电极的作用)也是EDLC不可缺少的重要组成部分｡它一方面起着密封作用,防止电解质溶液的挥发;另一方面则保护体系中其他部分免受外部的机械冲击｡外壳材料应不与电解质溶液发生反应,而且还应具有良好的耐高低温性能｡目前多使用不锈钢､铝､聚四氟乙烯和聚丙烯材料等来做EDLC的外壳｡。