超级电容器电极材料研究进展.docx

超级电容器电极材料研究进展
13080500173魏祥

当前，化石能源短缺和全球变暖导致的能源和环境问题日益凸显，大力发展清洁和可再生能源成了不可逆转的趋势。超级电容器作为一种介于传统电容器和锂离子电池之间的新型储能体系，其功率密度显著高于锂离子电池，能量密度是传统电容器的10～100倍[1]。同
时还具有快速充放电、循环寿命长、库伦效率高及瞬时大电流充放电等特性，应用前景广阔。超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是建立在Helmholz界面双电层理论基础上的一种全新的电容器，超级电容器已在电动汽车、移动通讯、太阳能和风力发电、航空航天和国防科技等方面发挥着重要作用[2]。

1.超级电容器概述

超级电容器(supercapacitors或ultracapacitors)，又称电化学电容器(electrochemicalcapacitors)一般由电极材料、电解液、集流体和隔膜等组成，见图1中a和b，其中电极材料是影响其电化学性能的关键因素之一，而电解液则决定着超级电容器的工作电压窗口。一般，超级电容器依据以下几种方式进行分类[3]：1)根据电解液可分为水系电解液电容器有机电解液电容器以及固态电解液电容器；2)根据电化学电容器的结构可分为对称型电容器和非对称型电容器；3)根据电极材料及储能机理可分为双电层电容器法拉第赝电容器和混合型电容器。

C）

图1.a)超级电容器充放电示意图；b)超级电容器装置示意图
c)超级电容器工作原理示意图
双电层电容器的储能机理是在大比表面积的碳材料电极和电解质界面吸附相反电荷的正负离子，电荷储存在界面双电层中，通过电化学极化进行可逆吸/脱附从而储存和释放能量。双电层电容器的电极主要为多孔碳材料，如活性炭、碳纳米管、介孔、碳和碳化物衍生碳等[4]。对于这些碳材料，决定双电层电容性能的因素主要有材料比表面积、电导率和孔隙率，但很少有碳电极材料可以在这三个方面均有优异的表现，因此，人们仍在不断研究碳基双电层电容器材料。赝电容器储能机理则是在具有氧化还原活性的电极表面，通过电极和电解质之间发生快速可逆的氧化还原反应进行能量储存和释放。这类电容器的电极材料主要有表面含有氧化还原活性位的材料，如导电聚合物、金属氧化物或金属氢氧化物[5]。相比于双电层电容器，赝电容器的容量更大，但由于材料的导电性能较差，材料发生氧化还原反应时结构容易被破坏，因此能量密度和循环稳定性能相对较差。
作为一种新型储能器件，超级电容器具有其它储能器件不可比拟的优势：1)高电容量。目前单体超级电容器的电容量可达上千法拉；2)电路结构简单。无需像二次电池那样设置特殊的充电电路，不会受过充过放的影响；3)循环寿命长。超级电容器或通过吸脱附，或通过快速可逆的电化学反应进行存储和释放电荷，其循环寿命可达上万次；4)充放电速度快。超级电容器的内阻小，在大电流充放电制度下，能在几十秒内完成充电过程；5)功率密度高。超级电容器高电容量低等效电阻和快速充电性能，使得其具有高比功率；6)温度范围宽。超级电容器的电荷转移过程一般在电极表面进行，其正常使用受环境温度影响不大，温度范围一般为-40～70℃；7)环境友好。超级电容器的包装材料中不涉及重金属，所用电极材料安全性能良好且环境友好，为一种绿色储能元件。
但是，超级电容器的能量密度不能让人满意。为进一步提高超级电容器的能量密度，近年来开发出了混合超级电容器，又称“不对称超级电容器”。其中，一极采用具有氧化还原活性的电极材料通过电化学反应来储存和转化能量，另一极则采用碳材料通过双电层来储存能量[6]。在混合型超级电容器中，能量储存的过程仍主要发生在电极表面，电极材料的比电容、导电性、比表面积和结构稳定性是混合型超级电容器能量储存和转化性能的决定因素。因此，为了提高能量密度和功率密度，无论是双电层超级电容器、法拉第准电容器（赝电容器），还是混合超级电容器，其电极材料必须具有比表面积大、电导率高和结构稳定的特性。

2.超级电容器电极材料

超级电容器作为一个复杂的储能体系，其电化学性能受限于诸多因素，如电极材料电解液隔膜和封装技术等，目前国内外对这些影响因素都进行了系统研究，并且申请了大量专利技术。普遍认为电极材料对超级电容器的电化学性能起着决定性作用。
2.1双电层电极材料
在目前广泛用于双电层电容器的各类碳质材料中，活性炭(Activatedcarbons，ACs)是
目前最成功的商业化超级电容器电极材料，这源于制备活性炭的原料丰富，活化工艺成熟然而，活性炭存在的一些弊端如孔径分布不均和比表面积利用率低下等，使其不适宜成为理想的模板电极材料，用以探讨双电层电容器的储能机理。2004年石墨烯的成功剥离为超级电容器的高效储能带来了新的契机。石墨烯具有优异的