超級(jí)電容器的研究進(jìn)展

超級(jí)電容器的研究進(jìn)展摘要：超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置，它具有功率密度高、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。近年來(lái)，各種新興材料的發(fā)展，為超級(jí)電容器電極材料的選取提供了更多的選擇條件，促進(jìn)了超級(jí)電容器的快速發(fā)展。本文總結(jié)了超級(jí)電容器的特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了超級(jí)電容器的工作原理、分類(lèi)以及超級(jí)電容器的材料。并簡(jiǎn)要展望了超級(jí)電容器電極材料的發(fā)展方向和前景。關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器碳電極貴金屬氧化物導(dǎo)電聚合物Abstract:Supercapacitorisanewtypeofenergystoragedevice.Ithasthecharacteristicsofhighpowerdensity,shortchargingtime,longservicelife,goodtemperaturecharacteristics,energysavingandgreenenvironmentalprotection.Inrecentyears,thedevelopmentofavarietyofnewmaterials,fortheselectionofthesupercapacitorelectrodematerialstoprovidemoreoptionstopromotetherapiddevelopmentofthesupercapacitor.Thispapersummarizesthecharacteristicsofthesupercapacitor,andintroducestheworkingprincipleofthesupercapacitor,classificationandthematerialofthesupercapacitor.Andbrieflydiscussedthedevelopingdirectionofsupercapacitorelectrodematerialsandprospect.Keywords:SupercapacitorCarbonelectrodePreciousmetaloxideConductingpolymer一、引言超級(jí)電容器是建立在德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲（1821～1894）提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器，又叫電化學(xué)電容器(ElectrochemcialCapacitor,EC)、黃金電容、法拉電容，通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能。它是一種電化學(xué)元件，但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個(gè)無(wú)反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負(fù)離子，負(fù)極板吸引正離子，實(shí)際上形成兩個(gè)電容性存儲(chǔ)層，被分離開(kāi)的正離子在負(fù)極板附近，負(fù)離子在正極板附近[1-5]。二、研究背景及意義由于石油資源日趨短缺，并且燃燒石油的內(nèi)燃機(jī)尾氣排放對(duì)環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重，人們都在研究替代內(nèi)燃機(jī)的新型能源裝置。已經(jīng)進(jìn)行混合動(dòng)力、燃料電池、化學(xué)電池產(chǎn)品及應(yīng)用的研究與開(kāi)發(fā)，取得了一定的成效。但是由于它們固有的使用壽命短、溫度特性差、化學(xué)電池污染環(huán)境、系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高昂等弱點(diǎn)，一直沒(méi)有很好的解決辦法。而超級(jí)電容器以其優(yōu)異的特性揚(yáng)長(zhǎng)避短，可以部分或全部替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池用于車(chē)輛的牽引電源和啟動(dòng)能源，并且具有比傳統(tǒng)的化學(xué)電池更加廣泛的用途。正因?yàn)槿绱?，世界各?guó)（特別是西方發(fā)達(dá)國(guó)家）都不遺余力地對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。三、超級(jí)電容器工作原理及分類(lèi)[6、7]超級(jí)電容器作為功率補(bǔ)償和能量存儲(chǔ)裝置，其儲(chǔ)存電量的多少表現(xiàn)為電容F的大小。根據(jù)電能的儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化機(jī)理，超級(jí)電容器分為雙電層電容器(electricdoublelayercapacitors，EDLC)和法拉第準(zhǔn)電容器(又叫贗電容器，pseudo-capacitors)，其中法拉第準(zhǔn)電容器又包括金屬氧化物電容器和導(dǎo)電高分子電容器。最近又出現(xiàn)了一種正負(fù)極分別采用電池材料和活性炭材料的混合超級(jí)電容器。1、雙電層電容器雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來(lái)存儲(chǔ)能量的一種新型電子元件。是以雙電層-雙電層(electricdoublelayer)為主要機(jī)制，即在充電時(shí)，正極和負(fù)極的炭材料表面分別吸附相反電荷的離子，電荷主要采用熱分解氧化RuCl3·xH2O的水溶液或者乙醇溶液(溫度300～800℃)。為提高電極的比表面,采取了在粗糙的基體材料上或在高比表面的碳纖維表面上制備RuO2,制備二元金屬氧化物或在低溫下制備電極等方法。據(jù)報(bào)道,低成本、高比表面的R-Mo2N作為一種新型電極材料,在堿性電解液中可獲得125F·g-1的比電容及0.7V的開(kāi)路電壓。3、導(dǎo)電聚合物電極導(dǎo)電聚合物電極電容器作為一種新型的電化學(xué)電容器,具有高性能和比貴金屬超級(jí)電容器更優(yōu)越的電性能?？赏ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)選擇相應(yīng)聚合物的結(jié)構(gòu),進(jìn)一步優(yōu)選提高聚合物的性能,從而提高電容器的性能。4、復(fù)合電極材料碳材料單獨(dú)作為超級(jí)電容器電極材料比電容較小，過(guò)渡金屬氧化物單獨(dú)作為超級(jí)電容器電極材料結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)電性能差，用導(dǎo)電性能較好的碳素材料復(fù)合比電容較大的金屬氧化物，如此一來(lái)很好的解決了碳電極材料和金屬氧化物電極材料相比比電容較小，過(guò)渡金屬氧化物單獨(dú)作為超級(jí)電容器電極材料結(jié)構(gòu)致密，不利于電解液的浸潤(rùn)，導(dǎo)電性能較差的問(wèn)題。鄭華均等人靜電吸附自組裝了CNTs和不同的過(guò)渡金屬氧化物制成超級(jí)電容器電極測(cè)試其電化學(xué)性能。一方面研究了在導(dǎo)電玻璃上逐層自組裝CNTs和二氧化錳納米片，解決了二氧化錳作為超級(jí)電容器電極材料導(dǎo)電性能差，結(jié)構(gòu)致密的缺點(diǎn)，通過(guò)交換CNTs和二氧化錳納米片的排列次序得到的電極材料，通過(guò)測(cè)試顯示出良好的電化學(xué)電容器性能；另一方面逐層自組裝了CNTs和CoOOH納米片，通過(guò)交換CNTs和CoOOH納米片的排列次序得到的電極材料，當(dāng)制得ITO/MWCNT/CoOOH排列的電極材料時(shí)，比電容達(dá)到389F/g，并且隨著層數(shù)的增加，比電容也會(huì)隨之增加。六、超級(jí)電容器的發(fā)展方向和前景超級(jí)電容器具有大容量、功率密度高、充放電能力強(qiáng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、可超低溫工作、無(wú)污染等許多顯著優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)（特別是電動(dòng)汽車(chē)、混合燃料汽車(chē)和特殊載重車(chē)輛）、電力、鐵路、通訊、國(guó)防、消費(fèi)性電子產(chǎn)品等方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。目前超級(jí)電容器在市場(chǎng)上占有的份額還很小，高單位質(zhì)量或體積能量密度，高充放電功率密度將是發(fā)展的方向，目前正在向備用電源電源領(lǐng)域和電動(dòng)車(chē)用大規(guī)模電容器-電池混合電源方向發(fā)展。今后超級(jí)電容器的研究重點(diǎn)仍然是通過(guò)新材料的研究開(kāi)發(fā)，尋找更為理想的電極體系和電極材料，提高電化學(xué)電容器的性能，制造出性能好、價(jià)格低、易推廣的新型電源以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。七、結(jié)語(yǔ)在了解了超級(jí)電容器的相關(guān)知識(shí)后，我們應(yīng)該明白它的重要性。經(jīng)過(guò)科研人員的幾十年的努力，超級(jí)電容器的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在能量密度和功率密度等方面還有待大幅度提高。同時(shí)需要加大其在應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)力度，以促進(jìn)實(shí)用化?？梢钥隙ǖ氖牵S著對(duì)超級(jí)電容器研究的不斷深入，超級(jí)電容器的性能將不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)寬，市場(chǎng)前景將更加光明。參考文獻(xiàn)[1］ConwayBE.ElectrochemicalSupercapacitors，NewYork:Kluwer，Academic/PlenumPublishers，1999[2］ConwayBE.J.Electrochem.Soc.，1991，138(6):1539—1548[3］ZhengJP，JowTR.J.Electrochem.Soc.，1995，142(1):L6—L8[4］HugginsRA.SolidStateIonics，2000，134(1/2):179—195[5]劉小軍，盧永周.超級(jí)電容器綜述[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)，14（2），2011:69-72[6］ZhengJP.J.Electrochem.Soc.，1995，142(8):2699—2703[7］ZhengJP.J.Electrochem.Soc.，1995，143(3):1068—1072[8]劉海晶,夏永姚.混合型超級(jí)電容器的研究進(jìn)展.化學(xué)進(jìn)展，23（2/3）,2011:595-604[9]張治安，楊邦朝，鄧梅根等.超級(jí)電容器氧化錳電極材料的研究進(jìn)展[J].JournalofInorganicMaterials(無(wú)機(jī)材料),2004，20(3):529-536.[10]張傳喜,鄭中華.超級(jí)電容器碳材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].船電技術(shù).2007,5:316-318.[11]LotaG,CentenoTA,FrackowiakE,eta1.Improvementofthestructuralandchemicalpropertiesofacommercialactivatedcarbonforitsapplicationinelectrochemicallcapacitors[J].ElectrochimActa,2008,53:2210-2216.[12]劉辰光,劉敏,王茂章等.電化學(xué)電容器中炭電極的研究及開(kāi)發(fā)Ⅱ.炭電極[J].NEWCARB0NMATERIAIS(新型炭材料),2002,17(2):64-72.[13]林克芝,徐艷輝,任偉,等.碳納米管電化學(xué)儲(chǔ)能的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù),2002,26(4):314.[14]張丹丹,姚宗干.大容量高儲(chǔ)能密度電化學(xué)電容器的研究進(jìn)展[J].電子元件與材料,1999,19(1):34.致謝我歷時(shí)將近兩個(gè)月時(shí)間終于把這篇論文寫(xiě)完了，在這段充滿(mǎn)奮斗的歷程中，帶給我的學(xué)生生涯無(wú)限的激情和收獲。在論文的寫(xiě)作過(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。在校圖書(shū)館查找資料的時(shí)候，圖