《超电容器》word版

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1、超级电容器电极材料的研究进展摘要：对不同电极材料的储能机理和性能特点进行了简要的阐述，并详细综述了活性碳材料、过渡金属氧化物、导电聚合物三类超级电容器电极材料的研究进展和现状,并探讨了其发展方向和研究重点。关键字：超级电容器；双电层电容器；法拉第准电容器；电极材料0前言超大容量电容器（supercapacitor）又称电化学电容器，是一种介于普通静电电容器与二次电池之间的新型储能元件。由于它具有比功率高、比容量大、成本低、循环寿命长、无记忆、充放电效率高，不需要维护和保养等优点，因此在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等

2、方面具有广阔的应用前景。世界各国都给予了高度重视，并将其作为重点开发项目和战略研究进行研发。美国能源部制定了电化学电容器的发展计划，其近期（1998～2003年）目标为：比能量达5Wh/kg，比功率达500W／kg；远期（2003年以后）目标为：比能量达15Wh/kg，比功率达1500W／kg。。1.超电容储能机理超大容量电容器按原理可分为双电层电容器(Electricdoublelayercapacitor)和赝电容电容器(pseudo－capacitor)，也称法拉第准电容。作为第一类导体的电极与第二类导体的电解质溶液接触时，充电

3、时则在电极/溶液界面发生电子和离子或偶极子的定向排列，形成双电层电容。双电层电容器的电极通常为具有高比表面积的多孔炭材料，目前常用的炭材料有:活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、碳气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、网络结构炭以及某些有机物的炭化产物。赝电容是指通过电极表面改性——在电极中引入高度可逆的氧化还原对或偶极子的吸附形成法拉第赝电容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附/脱附或氧化/还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。电极物质发生了包括电子传递的法拉第反应，但是它的充放电行为却更象一个电

4、容器而不是加法尼电池，具体表现为:①电池系统的电压随充入或放出电荷量的多少而呈线性变化；②当对电极加一个随时间线性变化的外电压dv/dt=Vt(V⋅S-1)时，可以观察到一个近乎常量的充放电流或电容I=C⋅V/dt=CVt，是提高电化学电容数值的重要方法。由超电容的反应原理可见，反应过程中只是电荷的快速交换，而没有物质相的明显变化，因而反应快速，电极工作寿命长。2.超电容电极材料研究最新进展对电极材料研究主要集中在各种活性炭材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料等。其中活性炭电极材料以产生的双电层为主，金属氧化物材料与导电聚合物材料以产

5、生的赝电容为主，下面就近几年来各种电极材料的研究进展分别作介绍。2.1多孔活性碳超电容电极材料最新进展在所有的电化学超级电容器电极材料中，研究最早和技术最成熟的是碳材料。其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的。其发展先后出现了多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维材料、碳气溶胶材料以及最近开发的碳纳米管材料等。从材料的发展趋势来看，主要是基于双电层储能原理，向着提高材料的有效比表面积和可控孔的孔径(>2nm)的方向发展。多孔碳材料、活性碳材料和活性碳纤维，这个排列基本代表了碳材料的发展方向:提高有效比表面积。之所以发展为活性碳，

6、主要是在于通过活化处理(如水蒸汽)活化后，大大的增加了孔的数量，增大了材料的比表面积，提高了材料的利用率。这些材料随制作电极工艺的不同先后出现过活性碳粉与电解液混合制成的糊状电极；用聚四氟乙烯作粘结剂将活性碳粉粘结成型，成圆片状电极以及活性碳/碳复合体的固体电极等。到目前为止，活性碳材料的比表面积己超过3，000㎡/g，但其实际的利用率仅为其10%左右(因为小于2nm的孔是不能形成双电层的)。致使活性碳电极材料的电容量最高只达到280F/g和120F/g(分别在水电解液和非水电解液中)。碳纳米管用作超电容电极材料有它的优越性:结晶度高

7、、导电性好、比表面积大、孔集中在一定范围内(且孔大小可控)。从理论上讲，是用作超电容电极的理想材料。用碳纳米管用作电极材料大致有两种方法:加粘合剂成型法和直接经过滤加热成型。采用直接热成型法制成的碳纳米管电极的单位比表面积为430㎡/g，用38wt%的硫酸作电解液，聚合物做隔极层，最高容量可达113F/g(0.001Hz)，在0.1Hz时，其容量可达108F/g。体现了相对高频放电的优点，这同样也预示着由碳纳米管为电极材料做的电容器具有高的能量密度，而实验结果也确实证明它具有>8KW/Kg的能量密度。其中采用粘合成型制作的碳纳米管电极

8、，用38wt%的硫酸作电解液，酚醛树脂作粘合剂，玻璃纤维做隔极层，石墨片做集流体，比容量可达15～25F/cm，后经进一步改进，掺杂重量比为75%的RuO2⋅xH2O时，电容器的比容量可达107F/cm，即600F/g。