超級(jí)電容器及其電極材料論文

1、材料科學(xué)與工程學(xué)院簡(jiǎn)析超級(jí)電容器及其電極材料簡(jiǎn)析超級(jí)電容器及其電極材料摘要超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能器件，近年來越來越受到科學(xué)界和工業(yè)界的重視。本文介紹了超級(jí)電容器的特點(diǎn)、應(yīng)用和研發(fā)情況，將其與可充電電池進(jìn)行了簡(jiǎn)單的對(duì)比。重點(diǎn)介紹了超級(jí)電容器的電極材料的研究現(xiàn)狀和研究的重難點(diǎn)。文末，對(duì)于超級(jí)電容器的應(yīng)用前景進(jìn)行了初步的分析。關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器電極材料一，超級(jí)電容器概述超級(jí)電容器是介于化學(xué)電池與常規(guī)電容器之間的一種新型儲(chǔ)能器件?！?1】 其具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如優(yōu)良的脈沖性能、充放電較快、無污染、免維修、長(zhǎng)壽命等。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲(chǔ)備電荷的能力。與傳統(tǒng)電容相比， 具備達(dá)到

2、法拉級(jí)別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長(zhǎng)的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)十萬次以上，且不用維護(hù)；與化學(xué)電池相比，具備較高的比功率，且對(duì)環(huán)境無污染。因此，超級(jí)電容器是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置，它優(yōu)越的性能得到各方的重視，目前發(fā)展十分迅速。其在航空航天、 國(guó)防軍工、電動(dòng)汽車、無線通訊、消費(fèi)電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。我們或多或少都會(huì)有一個(gè)疑問：超級(jí)電容器到底是如何在實(shí)際中得到應(yīng)用的。接下來， 介紹其具體的應(yīng)用。這對(duì)于加深我們對(duì)于超級(jí)電容器的了解有重要作用。比如在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，超級(jí)電容器可以與充電電池組成復(fù)合電源系統(tǒng)，既可滿足電動(dòng)汽車啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)的高功率要求，又可延

3、長(zhǎng)蓄電池的循環(huán)使用壽命，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車系統(tǒng)性能的最優(yōu)化?！?2】 又比如， 其可以用于太陽能、風(fēng)能發(fā)電裝置的輔助電源，可以將發(fā)電裝置所產(chǎn)生的能量以較快的速度儲(chǔ)存起來，并按照設(shè)計(jì)要求釋放。與傳統(tǒng)蓄電池相比，超級(jí)電容器對(duì)于充/放電的電流沒有嚴(yán)格限制，更加適合太陽能和風(fēng)能發(fā)電裝置電流波動(dòng)范圍較大的特點(diǎn)，且具有長(zhǎng)壽命和免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。另外， 在軍事航天領(lǐng)域，超級(jí)電容器可以作為潛艇和船只等設(shè)備的主輔電源，坦克、裝甲車的超低溫啟動(dòng)電源等。通過以上介紹，可以發(fā)現(xiàn)超級(jí)電容器在實(shí)際生活中有著很大的應(yīng)用范圍。其與未來電動(dòng)汽車的開發(fā)、新能源的利用有著緊密的關(guān)系。我們對(duì)于超級(jí)電容器的開發(fā)與研制也就顯得非常必要了。對(duì)于超級(jí)

4、電容器的研發(fā)來說，主要集中于對(duì)電極材料的研發(fā)。為了能進(jìn)一步更好的分析。首先來介紹一下超級(jí)電容器的工作原理。超級(jí)電容器按照儲(chǔ)存電能機(jī)理不同可分為雙電容型、贗電容型（又稱法拉第電容器）兩種。雙電容型超級(jí)電容器是基于高比面積碳材料與溶液間界面雙電層原理研制出的。 它是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層電容來儲(chǔ)存能量的，其電極通常采用高比表面積的碳材料（比如活性炭等）。而贗電容型超級(jí)電容器是利用電極材料快速、高度可逆的化學(xué)吸附/脫附和氧化/還原反應(yīng)來儲(chǔ)存電荷的，從而產(chǎn)生比雙電層電容更高的比容量，其電極材料主要是金屬化合物和導(dǎo)電聚合物等。二，超級(jí)電容器的電極材料相比于傳統(tǒng)可充電電池，超級(jí)電容器對(duì)于電極

5、材料的需求有著自己獨(dú)有的特點(diǎn)。 因?yàn)槲覀冎纻鹘y(tǒng)可充電電池的充放電是通過正負(fù)極材料的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。其工作原理與超級(jí)電容器（其工作原理上段已提及）有著顯著的差異。所以在電極材料上也有著其不同的要求。對(duì)于可充電電池來說，以鋰離子電池為例，負(fù)極材料為碳材料，正極材料為嵌鋰化合物。正極材料是鋰離子電池中鋰離子的“貯存庫(kù)”。而鋰離子電池能否成功應(yīng)用,關(guān)鍵在于能可逆地嵌入/脫嵌鋰離子的負(fù)極材料的制備。目前，負(fù)極材料的研究工作主要集中在碳材料和具有特殊結(jié)構(gòu)的其它化合物?！?6】 而對(duì)于超級(jí)電容器來說，其電極材料需求更加多樣化，研究范圍也更廣泛一些，在考慮以上提及的幾點(diǎn)要求之外，對(duì)于材料本身特性來說，需

6、要其具有高的比表面積以及好的導(dǎo)電性和催化性。在超級(jí)電容器的研究中，許多研究工作都是圍繞著開發(fā)各種具有高比能量和高比功率的電極材料進(jìn)行的。具有高比表面積較小內(nèi)阻的碳材料已廣泛應(yīng)用于雙電層電容器中。采用過渡金屬氧化物、水合物等材料和摻雜聚合物的法拉第電容器也逐漸得到開發(fā)應(yīng)用。碳材料作為已經(jīng)商業(yè)化的超級(jí)電容器電極材料，它的研究已經(jīng)非常深入，其包括活性炭、炭氣凝膠、碳納米管、石墨等。在這些電極材料表面主要發(fā)生的是離子的吸附與脫吸附。它們共同特點(diǎn)是比表面積大，但是碳材料并不是比表面積越大，比電容就越大。只有有效表面積占全部碳材料表面積的比重越大，比電容才越大。過渡金屬氧化物相對(duì)于碳材料具有更高的比電容，

7、有著良好的電化學(xué)性能。其作為超級(jí)電容器電極材料顯現(xiàn)出來的電容包括兩個(gè)部分，雙電層電容和法拉第電容（贗電容）。但是以法拉第電容為主，在電極表面主要包括兩個(gè)過程：離子的吸附與脫吸附和插入與脫出。尤其是納米級(jí)別的過渡金屬氧化物有著良好的電化學(xué)性能，其作為超級(jí)電容器電極材料的研究已有很多報(bào)道?！?3】目前， 科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)于超級(jí)電容器電極材料的研發(fā)正在如火如荼的進(jìn)行中。 這也顯示出超級(jí)電容器作為一個(gè)功能器件對(duì)于未來包括電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。在我看來，超級(jí)電容器電極材料的性能要求包括三點(diǎn)：高的比能量、高的比功率、 長(zhǎng)的循環(huán)壽命。與可充電電池相比，超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)在

8、于其具有高的比功率和長(zhǎng)的循環(huán)壽命。所以尋找同時(shí)具有高的比能量的材料就成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前超級(jí)電容器的電極材料有以下幾大類。碳材料是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的超級(jí)電容器電極材料。它主要包括活性炭、活性炭纖維、炭氣凝膠、模板炭、碳納米管和石墨烯等。碳材料具有比表面積大、導(dǎo)電率高、電解液浸潤(rùn)性好、電位窗口寬等優(yōu)點(diǎn)。但是其比電容偏低。碳材料主要是利用電極溶液界面形成的雙電層儲(chǔ)存能量，稱雙電層電容。增大電極活性物質(zhì)的比表面積，可以增加界面雙電層面積，從而提高雙電層電容。還有一類是金屬氧化物電極材料，包括氧化釕、二氧化錳、氧化鈷、 氧化鎳、氧化釩和氧化鐵等。其中， 氧化釕材料具有比電容高、導(dǎo)電性好以及

9、在電解液中非常穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是目前性能最好的超級(jí)電容器電極材料，但是由于釕是最稀有的金屬之一，比鉑還要稀有，這限制了其大規(guī)模應(yīng)用。從而科研工作者致力于尋找其替代材料才有了后面那些金屬氧化物的研發(fā)，其中以二氧化錳研究最多。二氧化錳材料具有價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好以及電化學(xué)工作窗口寬等顯著優(yōu)點(diǎn)。將納米技術(shù)應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域，利用納米二氧化錳電極材料高的比表面積和短的離子擴(kuò)散和電子輸運(yùn)距離還可以大大提高其電化學(xué)活性?！?4】導(dǎo)電聚合物材料也是其中的一個(gè)研究大類。其儲(chǔ)能主要是依靠贗電容原理來實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)電聚合物最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在高電壓（3 到 3.2 伏）下工作。開發(fā)新型導(dǎo)電聚合物材料是一個(gè)重點(diǎn)研究

10、領(lǐng)域?！?5】 舉一個(gè)例子，張愛勤等在低溫下化學(xué)氧化合成了粒徑為0.2 到 0.3 微米的顆粒狀鹽酸摻雜聚吡咯電極材料，有良好的電容特性。將復(fù)合材料用于超級(jí)電容器是近年來人們研究的熱點(diǎn)。通過利用各組分之間的協(xié)同效應(yīng)來提高超級(jí)電容器的綜合性能。復(fù)合材料主要有碳/金屬氧化物復(fù)合材料、碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料以及金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料等。針對(duì)碳材料比電容低的缺點(diǎn)，對(duì)其表面用具有大的法拉第贗電容的金屬氧化物或者導(dǎo)電聚合物進(jìn)行修飾，可使其比電容大幅度提高（如石墨烯材料）。而金屬氧化物的導(dǎo)電性通過復(fù)合后，其性能同樣得到明顯提高（如二氧化錳材料）同時(shí)還相應(yīng)改善了功率特性。三，總結(jié)綜上， 我們可以發(fā)現(xiàn)超

11、級(jí)電容器是繼鋰離子電池之后又一極具廣泛應(yīng)用潛力的新型儲(chǔ)能器件。它具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。電極材料是制約超級(jí)電容器發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。針對(duì)當(dāng)前單一電極材料存在諸如多孔炭材料能量密度及功率密度低、貴金屬氧化物價(jià)格高、導(dǎo)電聚合物穩(wěn)定性差等不足之處，大力開發(fā)復(fù)合電極材料（如多孔炭/金屬氧化物復(fù)合材料/多孔炭 /導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料等） 已成為超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。復(fù)合電極材料的研發(fā)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)材料性能和成本的合理平衡，而且有利于改善超級(jí)電容器的綜合性能從而加快超級(jí)電容器的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。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)、可超低溫工作和無污染等許多顯

12、著優(yōu)勢(shì)?！?4】 在汽車 （特別是電動(dòng)汽車、混合燃料汽車和特殊載重車輛）、電力、鐵路、通訊、國(guó)防和消費(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)仍然是通過新材料的研究開發(fā)來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、 易推廣的新型電源來滿足市場(chǎng)的需求?？梢灶A(yù)見超級(jí)電容器未來會(huì)有良好的研發(fā)前景和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：李晶等 . 超級(jí)電容器的制造工藝優(yōu)化與性能研究J. 電池工業(yè)，2010 年 10月第3 期王然，苗小麗. 大功率超級(jí)電容器的發(fā)展與應(yīng)用J. 電池工業(yè)，2008 年