超级电容器的电极材料的研究进展

科研开发

2019·02

177

Chenmical Intermediate

当代化工研究

超级电容器的电极材料的研究进展

＊胡勤政1,2　王英学1,2　曹宏伟1,2

（1.甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室 甘肃 730100

2.西北民族大学化工学院 甘肃 730030）

摘要：超级电容器具有高比电容、工作电压范围广、环境友好、高能量密度和高功率密度等特性，作为一种新型的储能器件被广泛应用

到各种领域。本文介绍了超级电容器的组成，储能原理以及电极材料的分类，而超级电容器研究热点集中在电极材料上，并对电极材料的发展趋势进行了展望。

关键词：超级电容器；双电层电容；赝电容电极；电极材料；复合材料

中图分类号：T 文献标识码：A

Research Progress of Electrode Materials for Ultracapacitor

Hu Qinzheng 1, 2, Wang Yingxue 1, 2, Cao Hongwei 1, 2

(1.Gansu Provincial Key Laboratory of E nvironment-friendly Composite Materials and Biomass Utilization, Gansu, 730100

2.Chemical Engineering College of Northwest University For Nationalities, Gansu, 730030)

Abstract ：Ultracapacitoris widely used in various fields as a new type of energy storage device because of its high specific capacitance, wide

operation voltage range, environment-friendly, high energy density and high power density. In this paper, the composition of ultracapacitor, energy storage principle of ultracapacitor and the classification of electrode materials are introduced. The research hotspot of ultracapacitor is focused on electrode materials, and the development trend of electrode materials is prospected.

Key words ：ultracapacitor ；double layer capacitance ；pseudopotential electrode ；electrode material ；composite material

1.引言

随着全球经济的快速增长，能源的过度开采及使用，并造成能源的枯竭和环境污染等问题越来越严重，人们急切需要一种新型的、存量丰富的、清洁的能源存储设备来解决以上问题。超级电容器作为一种新型的电化学储能器件被广泛关注研究。

本文综述了超级电容器的基本组成跟分类，阐述他的结构和储能机理，介绍了电极材料的研究进展。

2.超级电容器的概述

超级电容器又称电化学电容器，是基于电极和电解质之间形成的界面来存储电能的器件，介于常规电容器和二次电池之间的新型绿色储能器件。超级电容器具有高比电容、工作电压范围广、环境友好、高能量密度和高功率密度等特性，具备传统电容器的高功率输出和二次电池储备电荷的能力。现如今超级电容器已经在电子、通讯、医疗、国防、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。

(1)超级电容器的组成与分类

超级电容器由集流体、电极、电解液和隔膜组成。超级电容器根据储能机理的不同可以分为以下三类：

①双电层电容器，是基于电极与电解质之间形成的双电层界面来储存能量。

②赝电容电容器，与双电层电容器储能不一样是基于电极表面的嵌入、欠电位沉积、氧化还原的法拉第电荷的转移实现的。

③电化学混合电容器，采用一电极产生双电层电容，而另一电极产生赝电容来组装成的非对称的超级电容器。

(2)超级电容器的工作原理

①双电层电容器工作原理

在电极和电解液界面上，离子跟电子由于静电作用形成定向排布的双电层，在充电的过程中，通过外接电源的作用，电子从负极迁移到正极；在电解液内部由于静电作用，阳离子向负极移动，而阴离子向正极移动，形成定向排布的双电层电容，能量被储存。放电过程则是充电过程的逆过程。双电层电容器是物理过程所以有着循环性能好，但存在着电容较低的缺点。

②赝电容工作原理

赝电容器储能机制与双电层电容器的储能机理不同，它是电极表面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来储存能量。赝电容电极材料的储能方式主要有以下三种反应类型：离子的可逆吸附；电解液离子参与的氧化还原反应；导电聚合物可逆的电化学掺杂和去掺杂。

3.超级电容器的优点

（1）高比电容：超级电容器电容量是传统电容器的2000-6000倍。

（2）高功率密度：可达300W/kg～5000W/kg。

（3）充电速度快：超级电容器在可在10s-10min充满电容器。

（4）工作温度范围广：超级电容器的典型工作温度范围从-40至70℃。

（5）可循环使用：寿命长，几乎可无限循环使用。（6）环境友好：绿色环保，其材料无毒、安全性高。

4.超级电容器的电极材料

(1)碳基材料

碳基材料由于成本低、原材料来源广、导电性能优异、环境友好及循环稳定性好等优点而被广泛应用于超级电容器