超级电容器及其电极材料论文

材料科学与工程学院简析超级电容器及其电极材料简析超级电容器及其电极材料摘要超级电容器作为一种新型储能器件，近年来越来越受到科学界和工业界的重视。本文介绍了超级电容器的特点、应用和研发情况，将其与可充电电池进行了简单的对比。重点介绍了超级电容器的电极材料的研究现状和研究的重难点。文末，对于超级电容器的应用前景进行了初步的分析。关键词：超级电容器电极材料一，超级电容器概述超级电容器是介于化学电池与常规电容器之间的一种新型储能器件。【1】其具有许多优点，例如优良的脉冲性能、充放电较快、无污染、免维修、长寿命等。它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储备电荷的能力。与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数可达十万次以上，且不用维护；与化学电池相比，具备较高的比功率，且对环境无污染。因此，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优越的性能得到各方的重视，目前发展十分迅速。其在航空航天、国防军工、电动汽车、无线通讯、消费电子等领域具有广阔的应用前景。我们或多或少都会有一个疑问：超级电容器到底是如何在实际中得到应用的。接下来，介绍其具体的应用。这对于加深我们对于超级电容器的了解有重要作用。比如在电动汽车领域，超级电容器可以与充电电池组成复合电源系统，既可满足电动汽车启动、加速和爬坡时的高功率要求，又可延长蓄电池的循环使用寿命，实现电动汽车系统性能的最优化。【2】又比如，其可以用于太阳能、风能发电装置的辅助电源，可以将发电装置所产生的能量以较快的速度储存起来，并按照设计要求释放。与传统蓄电池相比，超级电容器对于充/放电的电流没有严格限制，更加适合太阳能和风能发电装置电流波动范围较大的特点，且具有长寿命和免维护的优点。另外，在军事航天领域，超级电容器可以作为潜艇和船只等设备的主辅电源，坦克、装甲车的超低温启动电源等。通过以上介绍，可以发现超级电容器在实际生活中有着很大的应用范围。其与未来电动汽车的开发、新能源的利用有着紧密的关系。我们对于超级电容器的开发与研制也就显得非常必要了。对于超级电容器的研发来说，主要集中于对电极材料的研发。为了能进一步更好的分析。首先来介绍一下超级电容器的工作原理。超级电容器按照储存电能机理不同可分为双电容型、赝电容型（又称法拉第电容器）两种。双电容型超级电容器是基于高比面积碳材料与溶液间界面双电层原理研制出的。它是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的，其电极通常采用高比表面积的碳材料（比如活性炭等）。而赝电容型超级电容器是利用电极材料快速、高度可逆的化学吸附/脱附和氧化/还原反应来储存电荷的，从而产生比双电层电容更高的比容量，其电极材料主要是金属化合物和导电聚合物等。二，超级电容器的电极材料相比于传统可充电电池，超级电容器对于电极材料的需求有着自己独有的特点。因为我们知道传统可充电电池的充放电是通过正负极材料的氧化还原反应来实现。其工作原理与超级电容器（其工作原理上段已提及）有着显著的差异。所以在电极材料上也有着其不同的要求。对于可充电电池来说，以锂离子电池为例，负极材料为碳材料，正极材料为嵌锂化合物。正极材料是锂离子电池中锂离子的“贮存库”。而锂离子电池能否成功应用,关键在于能可逆地嵌入/脱嵌锂离子的负极材料的制备。目前，负极材料的研究工作主要集中在碳材料和具有特殊结构的其它化合物。【6】而对于超级电容器来说，其电极材料需求更加多样化，研究范围也更广泛一些，在考虑以上提及的几点要求之外，对于材料本身特性来说，需要其具有高的比表面积以及好的导电性和催化性。在超级电容器的研究中，许多研究工作都是围绕着开发各种具有高比能量和高比功率的电极材料进行的。具有高比表面积较小内阻的碳材料已广泛应用于双电层电容器中。采用过渡金属氧化物、水合物等材料和掺杂聚合物的法拉第电容器也逐渐得到开发应用。碳材料作为已经商业化的超级电容器电极材料，它的研究已经非常深入，其包括活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、石墨等。在这些电极材料表面主要发生的是离子的吸附与脱吸附。它们共同特点是比表面积大，但是碳材料并不是比表面积越大，比电容就越大。只有有效表面积占全部碳材料表面积的比重越大，比电容才越大。过渡金属氧化物相对于碳材料具有更高的比电容，有着良好的电化学性能。其作为超级电容器电极材料显现出来的电容包括两个部分，双电层电容和法拉第电容（赝电容）。但是以法拉第电容为主，在电极表面主要包括两个过程：离子的吸附与脱吸附和插入与脱出。尤其是纳米级别的过渡金属氧化物有着良好的电化学性能，其作为超级电容器电极材料的研究已有很多报道。【3】目前，科学界和产业界对于超级电容器电极材料的研发正在如火如荼的进行中。这也显示出超级电容器作为一个功能器件对于未来包括电动汽车产业、新能源产业在内的新型产业的发展具有重要的作用。在我看来，超级电容器电极材料的性能要求包括三点：高的比能量、高的比功率、长的循环寿命。与可充电电池相比，超级电容器的优势在于其具有高的比功率和长的循环寿命。所以寻找同时具有高的比能量的材料就成为研究的重点和难点。目前超级电容器的电极材料有以下几大类。碳材料是目前研究和应用最为广泛的超级电容器电极材料。它主要包括活性炭、活性炭纤维、炭气凝胶、模板炭、碳纳米管和石墨烯等。碳材料具有比表面积大、导电率高、电解液浸润性好、电位窗口宽等优点。但是其比电容偏低。碳材料主要是利用电极溶液界面形成的双电层储存能量，称双电层电容。增大电极活性物质的比表面积，可以增加界面双电层面积，从而提高双电层电容。还有一类是金属氧化物电极材料，包括氧化钌、二氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化钒和氧化铁等。其中，氧化钌材料具有比电容高、导电性好以及在电解液中非常稳定等优点，是目前性能最好的超级电容器电极材料，但是由于钌是最稀有的金属之一，比铂还要稀有，这限制了其大规模应用。从而科研工作者致力于寻找其替代材料才有了后面那些金属氧化物的研发，其中以二氧化锰研究最多。二氧化锰材料具有价格低廉、对环境友好以及电化学工作窗口宽等显著优点。将纳米技术应用于超级电容器电极材料领域，利用纳米二氧化锰电极材料高的比表面积和短的离子扩散和电子输运距离还可以大大提高其电化学活性。【4】导电聚合物材料也是其中的一个研究大类。其储能主要是依靠赝电容原理来实现的。导电聚合物最大的优点是可以在高电压（3到3.2伏）下工作。开发新型导电聚合物材料是一个重点研究领域。【5】举一个例子，张爱勤等在低温下化学氧化合成了粒径为0.2到0.3微米的颗粒状盐酸掺杂聚吡咯电极材料，有良好的电容特性。将复合材料用于超级电容器是近年来人们研究的热点。通过利用各组分之间的协同效应来提高超级电容器的综合性能。复合材料主要有碳/金属氧化物复合材料、碳/导电聚合物复合材料以及金属氧化物/导电聚合物复合材料等。针对碳材料比电容低的缺点，对其表面用具有大的法拉第赝电容的金属氧化物或者导电聚合物进行修饰，可使其比电容大幅度提高（如石墨烯材料）。而金属氧化物的导电性通过复合后，其性能同样得到明显提高（如二氧化锰材料）同时还相应改善了功率特性。三，总结综上，我们可以发现超级电容器是继锂离子电池之后又一极具广泛应用潜力的新型储能器件。它具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。电极材料是制约超级电容器发展的关键因素之一。针对当前单一电极材料存在诸如多孔炭材料能量密度及功率密度低、贵金属氧化物价格高、导电聚合物稳定性差等不足之处，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）已成为超级电容器电极材料领域的研究重点和难点。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从而加快超级电容器的工业化应用进程。超级电容器具有大容量、功率密度高、充放电能力强、循环寿命长、可超低温工作和无污染等许多显著优势。【4】在汽车（特别是电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆）、电力、铁路、通讯、国防和消费性电子产品等方面有着巨大的应用价值和市场潜力。目前超级电容器在市场上占有的份额还很小，高单位质量或体积能量密度，高充放电功率密度将是发展的方向，目前正在向备用电源电源领域和电动车用大规模电容器-电池混合电源方向发展。今后超级电容器的研究重点仍然是通过新材料的研究开发来寻找更为理想的电极体系和电极材料，提高电化学电容器的性能，制造出性能好、价格低、易推广的新型电源来满足市场的需求。可以预见超级电容器未来会有良好的研发前景和广阔的应用领域。参考文献：（1）李晶等.超级电容器的制造工艺优化与性能研究[J].电池工业，2010年10月第3期（2）王然，苗小丽.大功率超级电容器的发展与应用[J].电池工业，2008年6月第3期（3）王康等.超级电容器电极材料的研究发展[J].浙江化工，2010年第41卷4期（4）邢宝林等.超级电容器电极材料的研究现状与展望[J].材料导报A：综述篇，2012年10月（上）第26卷第10期（5）杨盛毅等.超级电容器综述[J].现代机械，2009年第4期（6）周恒辉等.锂离子电池电极材料烟具进展[J].化学进展，1998年3月第10卷第1期