电子技术在新能源中的应用

超级电容器电极材料及应用分析学校：广西科技大学院系：电气与信息工程学院班级：电科Z141学号：201400310021姓名：于泳涛摘要超级电容器作为一种新型的电子储能元件，在技术和工艺上不断得到革新和开发，被科学界和工业界所重视，甚至各个国家都设立和制定相应计划来发展这种新型元件。超级电容器已经在许多领域得到了广泛的应用，但仍然受制于能了密度过低的问题，在部分领域内无法得到应用，因此便有对超级电容器的电极材料进行改良的方案，本文将对这一方案以及超级电容器在未来的发展进行分析论述。关键词：超级电容器、电极。一、超级电容器的概述超级电容器是介于传统电容器和蓄电池（各类蓄电池）之间的一种新型储能电子元件，具有许多的优点，比如充电无污染、工作温度范围宽、抗干扰能力强、免维修、长寿命、充放电快等等。和传统电容器相比，超级电容器具有极大的电容量，是一个法拉级的电容器，而通常模拟仿真和实际使用的传统电容器均为微法和皮法（1法拉=1×10^6微法=10^12皮法），同时循环寿命可以达到几十万次以上；与化学电池相比，超级电容器不会产生污染、安全稳定性高、高效实用等。因为种种优势，超级电容器一直被各个国家广泛应用于工业、电子、军事等行业，具有不可估量的价值。但是开头已经说明，超级电容器一直存在一个问题——单位能量密度低，这个问题就限制了超级电容器在一些方面的应用，比如电动汽车。虽然超级电容器电池充电速度快，储能高，但因为单位能量密度过低而并不被业内人士看好，因此现在国内一些电动汽车用的仍是锂电池作为电源。因此，为了解决能量密度过低的问题，研究超级电容器的电极材料便成了现在的主要研究方向。为了更好的分析超级电容器的电极问题，首先来介绍一下各类超级电容器的充放电原理。超级电容器按照储存电能方式的不同可分为双电层电容型、法拉第赝电容型（是一种准电容）、混合电容型。⑴双电层电容型，顾名思义是用高比面积碳素材料与溶液间之间的接触面，作为双电层原理研制出的。由于阴阳离子在固体电极和电解液之间的表面上分别吸附和累积，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的储存，相应的，电势差越大，所储存电量越多。在充电的时候因为外电路电流进入超级电容器，负极的一端就会吸引阳离子，而正极的一端就会吸引阴离子。当放电的时候，两极吸附的阴阳离子就会重新回到溶液中，形成一股定向移动的电流。这种无化学物质价态变化的充放电方式，是纯物理性质的。因此其电极通常采用高比表面积的碳材料（比如活性炭以及石墨烯或者碳纳米管等），不需要金属氧化物（电容器外壳和电极键帽不算在内）。⑵赝电容型超级电容器是利用作为电极的活性物质进行欠电沉积，发生高度可逆的氧化还原反应/化学吸附现象，引起氧化物的价态升降，从而进行电子的产生与储存。如果要产生大量的电子，那么电极材料就要具有较大的比表面积。放电时，两极上的氧化物离子会重新回到电解液中，而储存的电荷则会通过外电路释放，形成电流。因为充放电过程是化学反应过程，所以电极材料需要有能进行价态变化的金属化合物（多价金属）和导电聚合物。因为涉及到了化学反应，所以会出现一些不可逆的现象，影响到循环使用。⑶混合电容型则是讲双电容型与赝电容型相结合，两极采用不同的吸附电子的方式来进行充电。正极采用双电层电容器的充电方式，而负极则采用法拉第赝电容器的充电方式。二、超级电容器的电极材料相比于传统电容器来说，超级电容器有着自己独特的电极材料需求，根据超级电容器的种类来决定电极材料的采用。双电层电容器因为要形成两极板的电势差，必须要使电极尽量吸附电子，因此常使用活性炭、碳素凝胶、碳纳米管、石墨烯作为电极材料。法拉第赝电容器是利用电极材料中的金属氧化物的多价态金属进行电子的吸附和失去来完成充放电过程（氧化还原反应），因此采用的是金属氧化物以及导电聚合物作为电极。混合型电容器则比较复杂，正极充电过程是纯物理的，负极充电则是采用化学充电，因此经常使用复合电极材料、赝电容+双电层电极。而其中，石墨烯是比较特殊的存在，相比于石墨和碳素凝胶以及碳纳米管，石墨烯具有价格便宜、较好的电学特性、力学特性以及形态特性和表面性质不受孔径大小分布的影响等优势，在超级电容器的电极材料中有较大的潜力。石墨烯有着固定的蜂巢结构以及较大的比表面积，具有很强的电子吸附能力，同时，被吸附的电子也会互相产生作用力，使得被吸附的电子不会脱出蜂巢结构，能较好的进行累积。石墨烯因而能较好的缓解超级电容器能量密度过低的问题，是现在热门研究方向。三、超级电容器的未来发展趋势超级电容器在生活中取得了很多应用，公用电器以及工业和医疗电器：税控机、电焊机、雷管、X光机、磁共振等；网络通讯：电脑、中继站、电力数据传输等；军工：雷达、警棍、精准炮弹等。现在科技日新月异，电子产品的使用越来越广泛，超级电容的市场份额也越来越高。目前我们国家有些地方比如上海，已经出现超级电容公交车，超级电容公交车是电车的变种（电动公交车有很大一部分是电力以及燃料混合的混合动力），通过车载电容驱动,每次充满电可以运行6公里。而早在2014年，澳大利亚某大学已经有研究声明称，他们所研发的超级电容器公交车可以再充满电的情况下行驶500公里，到了2020年这个数据将会被刷新。足以看见我国的技术与世界领先水平还稍有差距，但是并不是说就毫无亮点，因为我国是世界上目前唯一一个可以量产和使用超级电容公交车的国家，且面向世界销售。四、总结综上所述，我们可以得知：超级电容器是介于传统电容器和蓄电池（多指化学电池）之间的一种新型储能电子元件，正因为介于两者之间，因此有着种种优势和潜力，众所周知，它具有广阔的应用前景和巨大的经济价值，以及极高的科学发展潜力。虽然目前受制于能量密度过低（电极材料的开发）的原因，但是并不是说超级电容器就没有未来可言，现在的研究热点——石墨烯说不定能给超级电容器带来一次变革。参考文献张治安等译《超级电容器：材料、系统及应用》机械工业出版社陈艾，吴孟强，张绪礼等《电化学超级电容器》北京化学工业出版社刘志祥《超级电容器相关技术研究》哈尔冰工程大学硕士学位论文2002年