1、电容器发展的研究及其应用1电容器的发展和研究及其应用西北师范大学化学化工学院化学专业，甘肃兰州，730070摘要超级电容器是由德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。它是一种通过极化电解质来储能的电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其兼有传统电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点，且充电速度快、循环寿命长、对环境无污染的优点而得到广泛应用，但是其缺陷还是存在的，比如其能量密度较低。而电极材料的性质是决定电容器能量密度、功率密度等电化学性能的关键因素，所以对电极材料的选择成为了改善缺陷的主要
2、方式。本文主要分析了当下对超级电容器电极材料研究成果和实际应用关键字超级电容器活性炭电容材料混合型电化学电容器ABSTRACTTHESUPERCAPACITORISANEWTYPEOFCAPACITORBASEDONTHETHEORYOFINTERFACEELECTRICDOUBLELAYERTHEORYPRESENTEDBYGERMANPHYSICISTHELMHOLTZITISANELECTROCHEMICALDEVICETHATCANBESTOREDBYTHEPOLARIZATIONOFTHEELECTROLYTE,BUTINTHEPROCESSOFITSSTORAGECANNOTBEA
3、CHEMICALREACTION,THISPROCESSISREVERSIBLE,BUTALSOBECAUSEOFTHESUPERCAPACITORCANBEREPEATEDLYCHARGEANDDISCHARGEHUNDREDSOFTHOUSANDSOFTIMESITHASTHEADVANTAGESOFHIGHPOWERDENSITYANDHIGHENERGYDENSITYOFTHETWOBATTERIES,ANDHASBEENWIDELYUSEDFORTHEADVANTAGESOFHIGHSPEED,LONGCYCLELIFEANDNOPOLLUTIONTOTHEENVIRONMENTTH
4、EPROPERTIESOFELECTRODEMATERIALSARETHEKEYFACTORTODETERMINETHEENERGYDENSITYANDPOWERDENSITYOFCAPACITOR,SOTHECHOICEOFELECTRODEMATERIALISTHEMAINWAYTOIMPROVETHEDEFECTTHISPAPERMAINLYANALYZESTHERESEARCHRESULTSANDTHEPRACTICALAPPLICATIONOFTHEELECTRODEMATERIALOFTHESUPERCAPACITORKEYWORDSSUPERCAPACITOR、ACTIVATED
5、CARBONCAPACITORMATERIALHYBRIDELECTROCHEMICALCAPACITOR电容器发展的研究及其应用2目录摘要1目录21电化学超级电容器简介311工作原理及分类312超级电容器的优缺点和与电池的异同点32双电层型超级电容器活性碳电极材料321碳纤维电极材料322碳气凝胶电极材料423碳纳米管电极材料43赝电容型超级电容器431活性炭/NIOOHFEOOH混合电化学超级电容器532活性炭/石墨混合电化学超级电容器533锂离子混合超级电容器54总结6参考文献7电容器发展的研究及其应用31电化学超级电容器简介11工作原理及分类超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电
6、压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。电化学超级电容器要是按原理分可以为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器两类。112超级电容器的优缺点和与电池的异同点在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电
7、路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题2如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路和传统电池相比，超级电容器充电更快，循环使用寿命长，能量转换效率高。3由于超级电容器的蓄电并不是采用化学方法1，所以更加的环保。2双电层型超级电容器21活性碳电极材料活性炭是一种具有高度发达的孔隙结构和极大内比表面积的人工炭材料制品4，因具有比表面积大、化学稳定性高、导电性好、制备简单及价格低廉等优点，一直是制造超级电容器电极的首选材料。活性炭的材料来源丰
8、富，不同来源的活性炭所作为原料的产生的效果也是不同的。比如任军等5以聚偏二氯乙烯（）为原料、采用水蒸气活化法制备出比表面积为、孔容为、中孔率为并具有良好大电流倍率性能的活性炭电极材料。而郑祥伟等6以天然椰壳为原料，采用物理化学联合活化法制备出中等比表面积（）的活性炭电极电容器发展的研究及其应用4材料。活性炭价格低廉，技术成熟。是目前比较重要的点击材料。但是，活性炭导电性较差，影响电容器的能量密度和功率密度。因此，开发孔径分布合理、导电性高和具有特殊表面化学性质、与电解液相匹配的活性炭是目前研究的重点。22碳纤维电极材料一种性能优于活性炭的材料，因活性炭纤维具有比表面积大、孔径分布窄、导电性好等
9、特点，在超级电容器中的应用越来越受重视。刘凤丹等7以天然植物纤维苎麻为原料，采用化学活化法制备出具有较低内阻和良好功率特性的超级电容器用活性炭纤维。陈秋飞、刘志玲8等分别以沥青炭纤维与粘胶炭纤维为原料，采用催化活化法制备出超级电容器用活性炭纤维。与活性炭相比，活性炭纤维独特的孔结构及良好的导电性，使其在质量比电容方面具有优势，但活性炭纤维表观密度通常较低，导致体积比电容不高。23碳气凝胶电极材料炭气凝胶是一种质轻、比表面积大、中孔发达、导电性好、电化学性能稳定的纳米多孔无定形炭材料9目前，公司已将炭气凝胶作电极材料的超级电容器商品化。尽管炭气凝胶用作超级电容器电极材料具有诸多优点，但制备工艺复
10、杂、时间长、价格昂贵及规模化生产难度大等不足制约着其商品化发展。24碳纳米管电极材料碳纳米管是世纪年代初发现的一种纳米级管状结构炭材料，是由单层或多层碳石墨片层卷曲而成的无缝中空管10。碳纳米管可分为单壁碳纳米管（）和多壁碳纳米管（）。其由于具有独特的中空结构、良好的导电性、高的比表面积和适合电解液中离子移动的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构，因此被认为可能是超级电容器理想的电极材料。3赝电容型超级电容器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11，而且可快速充放电，使用电容器发展的研究及其应用5寿命长，是一种高效、实用的
11、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。1231活性炭/NIOOHFEOOH混合电化学超级电容器VARAKIN等用碳材料作负极，用NIOOH作正极组装的碳镍混合超级电容器，其能量密度达到795WH/KG目前这类混合型超级电容器已被成功应用于电动汽车的动力系统。例如，由上海的奥威公司研制的超级电容器公交车已经成功在上海运行。这些都说明了混合型电容器的广阔市场前景。3
12、2活性炭/石墨混合电化学超级电容器对于超级电容器体系的电解液来说主要分为水体系以及非水体系，水系电解质中电容器的工作电压仅仅局限在12V以下，而在非水体系中由于考虑循环寿命以及电解液安全问题也控制在27V以下。然而较高的能量密度取决于电容器的电容以及工作电位的提高。为了满足以上两点就需要开发新体系的混合电容器。在高于一定高电位时，某些石墨化碳与阴离子产生嵌入反应，以这种石墨代替无定形的活性炭作为正极，活性炭为负极组装成有机电解质体系混合超级电容器。在充放电过程中，石墨正极发生阴离子的嵌入脱出反应，同时负极发生阳离子的吸附脱附反应。当采用不同的电解液时，阳离子种类不同将对活性炭负极产生影响，进而
13、影响整个混合体系的性能。目前，该体系正在产业化的过程中。33锂离子混合超级电容器锂离子混合电超级电容器是近年来逐渐被关注的一种新型储能元件13由于同时使用了锂离子电池和超级电容器的电极材料,锂离子混合超级电容器拥有电池和电容的双重特性,具有比常规电容器能量密度大,比锂离子电池功率密度高的优点因此,锂离子混合超级电容器有望应用于电动汽车、电气设备电容器发展的研究及其应用6军事和航空航天设施等高能量大功率型的电子产品领域锂离子混合超级电容器的充放电机制根据电解质是否消耗可分为电解质消耗机制、锂离子交换机制以及混合机制,1电解液消耗机制该体系一般以锂脱嵌化合物或金属氧化物作为负极,电容活性材料一般为
14、活性炭作为正极同超级电容器双电层机理类似,在充电过程中,电解液中的阴阳离子会在电场的作用下分别向正负极移动,3不同的是在该体系中仅在正极产生双电层,而负极发生锂离子的嵌入或还原反应属于电解液消耗机制的典型混合电容器体系有钛酸锂/活性炭体系、石墨/活性炭体系等2锂离子传输机制该体系由正极材料提供锂离子源,负极一般为电容活性材料,在充放电过程中电解质浓度不变,只充当传输锂离子的作用,类似锂离子电池的“摇椅式”反应与传统锂离子电池不同的是,该体系能量的存储和释放过程既包含双电层机理又包含氧化还原反应或锂离子嵌机理属于锂离子传输机制的典型混合电容器体系有活性炭/锰酸锂体系、石墨/活性炭等3混合机制该体
15、系的特点是,其中的一极或两极既包含电池材料又包含电容材料属于混合机制的典型混合电容器体系有钛酸锂/活性炭锰酸锂体系、MCMB中间相碳微球/活性炭磷酸铁锂体系等4总结综上所述，随着超级电容器技术的发展，传统超级电容器还有着各种各样的制约因素限制其快速发展与应用。但是以混合型电化学超级电容器却是一种很有前景的储能装置，可以作为混合电动车等的理想电源。但是作为制约超级电容器发展的关键因素之一的电极材料的选择和设计、正负极的质量匹配以及电位窗口的选择均会直接影响混合超级电容器的能量密度、功率密度或循环寿命，因此大力开发复合电极材料（如多孔炭金属氧化物复合材料、多孔炭导电聚合物复合材料等）已成为超级电容
16、器电极材料领域的研究重点。复合电极材料的研发不仅能够实现材料性能和成本的合理平衡，而且有利于改善超级电容器的综合性能，加快其工业化应用进程。14电容器发展的研究及其应用7参考文献【1】袁国辉电化学电容器北京化学工业出版社,2006年6月第一版【2】顾帅，韦莉等容器不一致性研究分析与展望,国电机工程学报,201535【3】郑宗敏,张鹏等子混合超级电容器电极材料研究进展科学通报,2013,5831153123【4】解强，边炳鑫煤的炭化过程控制理论及其在煤基活性炭制备中的应用中国矿业大学出版社，【5】任军，徐斌，张世超等基活性炭的制备与电容性能电池，2008（3）136【6】郑祥伟，胡中华，刘亚菲等
17、中等比表面积高容量活性炭电极材料制备和表征复旦学报，（）【7】刘凤丹，王成扬，杜嬛等苎麻基活性炭纤维超级电容器材料的制备电源技术，（）【8】刘志玲，李包顺，潘鼎超级电容器用活性炭纤维的研制炭素，2006422【9】袁定胜，胡向春，刘应亮等超级电容器用炭材料的研究进展电池，（）【10】吴锋，徐斌碳纳米管在超级电容器中的应用研究进展新型炭材料，（）【11】温祖标,田舒,曲群婷,以嵌入化合物为正极的混合超级电容器化学进展，2011232/3【12】王佑，家用电池,特斯拉的又一个颠覆产品创新日报，/2015年/5月/4日/第A12版【13】刘海晶,夏永姚混合型超级电容器的研究进展化学进展,2011,23595604【14】黄光许，谌伦建超级电容器电极材料的研究现状与展望
