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摘要:双电层电容器是近年发展起来的一种新型储能装置。本文简单地介绍了超级电容器的类型以及电极材料的储能原理,对目前所使用的活性炭粉、活性炭纤维、炭气凝胶、碳纳米管等炭电极材料进行了比较。
张传喜,郑中华
(中国船舶重工集团公司第七一二研究所,武汉430064)
超级电容器是一种理想的新型储能器件。为开发出性能优异的超级电容器,从材料角度而言,至关重要的就是适合超级电容器应用的、在不同电解液中具有较高比容量的碳电极材料的研究开发。目前主要集中在碳基材料,如活性炭、玻璃碳、纤维、凝胶、高密度石墨、热解聚合物基体而得到的泡沫、碳纳米管、高活性中间相炭微球及具有纳米孔隙的蜂窝状金刚石等方面,及对稀有金属氧化物和导电聚合物等材料的研究[1]。在这些材料中,碳材料以其价廉易得、性能优异而受到重视,并已成功商业化。因此本文拟对超级电容器用新型碳材料的开发研究进行有关阐述。
1超级电容器的原理
按储能机理,超级电容器一般分为双电层电容器和法拉第准电容器。双电层电容器建立在双电层理论基础之上,其电极材料为比表面积很大的活性炭。法拉第准电容器根据电极材料的不同,可分为金属氧化物和导电聚合物两类,该类电容器主要利用在活性物质表面及体相界面上发生的高度可逆的快速氧化还原反应来储存能量。双电层电容器基于双电层理论,利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来储存能量。法拉第准电容器则基于法拉第过程,即在法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生。不仅发生在电极表面,而且可以深入电极内部,因此可以获得比双电层电容器更高的电容量和能量密度。最近得到大力发展的是兼具二者优势的混合超级电容器。目前,又发展了新的不对称超级电容器[2],这种超级电容器的二个电极材料不一样,可以更好地提高超级电容器的有关性能。
无论基于何种原理,超级电容器都可以分为四大部分:电极、电解质、集流体和隔离物,如图1所示。目前,人们研究的热点主要集中在四个方面:碳电极材料,金属氧化物及其水合物电极材料,导电聚合物电极材料,以及混合超级电容器。电解质需要具有很高的导电性和足够的电化学稳定性,以便超级电容器可以在尽可能高的电压下工作。现有的电解质材料主要有固体电解质、有机物电解质和水溶液电解质。
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