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2.1.2法拉第准电容器
法拉第准电容是以准电容-准电容(pseudo-capacitance)为主要机制,在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,正极和负极表面分别以金属氧化物的氧化/还原反应为基础或以有机半导体聚合物表面掺杂不同电荷的离子为基础,产生与电极充电电位有关的电容[12,13]。在相同的电极面积的情况下,容量是双电层电容的10—100倍。
2.1.3混合型超级电容器
超级电容器又可分为对称型和非对称型,其中正负极材料的电化学储能机理相同或相近的为对称型超级电容器,如碳/碳双电层电容器和RuO2/RuO2电容器。为了进一步提高超级电容器的能量密度,近年来开发出了一种新型的电容器——混合型超级电容器。在混合型超级电容器中,一极采用传统的电池电极并通过电化学反应来储存和转化能量,另一极则通过双电层来储存能量。电池电极具有高的能量密度,同时两者结合起来会产生更高的工作电压,因此混合型超级电容器的能量密度远大于双电层电容器。目前,混合型超级电容器是电容器研究的热点。在超级电容器的充放电过程中正负极的储能机理不同,因此其具有双电层电容器和电池的双重特征。混合型超级电容器的充放电速度、功率密度、内阻、循环寿命等性能主要由电池电极决定,同时充放电过程中其电解液体积和电解质浓度会发生改变。
2.2超级电容器的特点
超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件,其巨大的优越性表现为:
(1)功率密度高。超级电容器的内阻很小,而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。
(2)充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应,其循环寿命可达万次以上。
(3)充电时间短。完全充电只需数分钟。
(4)实现高比功率和高比能量输出。
(5)环境温度对正常使用影响不大。超级电容器正常工作温度范围在-35—75℃。
3混合型超级电容器的研究进展
虽然双电层电容器和法拉第准电容器的能量密度远远大于传统的物理电容器,但是其能量密度和电池如锂离子电池、镍氢电池等相比还是很低的。
产生这一现象的主要原因是:无论是双电层电容还是法拉第准电容,其储能过程都仅发生在电极材料的表面或近表面;相对于此,电池材料则是通过体相的氧化还原过程来储存能量的。为了近一步提高超级电容器的能量密度,人们发明了混合体系,并且这种混合体系近几年逐渐成为研究热点[14—26]。
混合型电化学超级电容器是近年来被关注的储能元件,它具有比常规电容器能量密度大、比二次电池功率密度高的优点(如图1)[2],而且可快速充放电,使用寿命长,是一种高效、实用的能量存储装置,因而有着广泛的应用前景,如便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源及应急后备电源等,特别是在电动汽车上,超级电容器与电池联合,分别提供高功率和高能量,既减小了电源体积,又延长了电池的寿命。目前,世界各国纷纷制定近期的目标和发展计划,将其列为重点研究对象。俄罗斯、美国和日本等发达国家都为混合型超级电容器的研制开发投入了大量资金。在中国混合电容器也正在迅速发展,并展现出一定的市场前景。目前,上海奥威、哈尔滨巨容等电容器公司已经开始批量生产由EMSA公司研制的AC/NiOOH混合型超级电容器,并将其应用到电动公交车或太阳能电池领域。为了同时获得较高的能量密度和功率密度,人们开始设计新型的非对称型电化学超级电容器,即电容器的一极是双电层电极,另一极为法拉第准电容电极。非对称型电化学超级电容器综合了两类电化学电容器的优点,可更好地满足实际应用中负载对电源系统的能量密度和功率密度的整体要求。另外,人们开始尝试用二次电池的电极材料取代传统电化学电容器的一极,制成电池型电容器,适宜在短时间大电流放电的情况下工作,可作为电动车辆的启动、制动电源。
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