水电技术|混合型超级电容器的研究进展

水电之家讯：与传统的二次电池相比，超级电容器具有长寿命、高功率密度的特点，但是能量密度较低。本文主要介绍了混合超级电容器的发展状况以及电极材料的最新研究进展。目前有许多研究工作者都致力于改善超级电容器体系的能量密度，一个有效的途径是提高电容器电极材料的比电容，另一个途径则应用不对称混合型超级电容器体系，即一个电极采用电极活性炭电极，而另一个电极采用赝电容电极材料或电池电极材料，通过提高电容器的工作电压，从而提高电容器的能量密度。针对提高混合型超级电容器能量密度的工作主要集中在采用具有氧化还原活性的材料与活性炭组成不对称超级电容器，比如：活性炭/NiOOH(FeOOH)，活性炭/石墨，活性炭/金属氧化物以及活性炭/聚合物等混合超级电容器。近年来，锂离子嵌入化合物以及锂离子电池碳材料作为混合超级电容器的正极材料得到了广泛的关注。同时，介绍了针对由水系锂离子电池电极材料作为正极，活性炭作为负极组成的混合型超级电容器开展的研究工作，其正极材料包括LiMn2O4，LiCoO2，LiTi2(PO4)3以及LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2等。以上混合型超级电容器相比于活性炭/活性炭双电层电容器，均在能量密度的提高以及工作电压的提高上得到了较大的进展。最后本文还对近几年比较热门的几种混合型电化学电容器和相关材料的未来发展趋势作了简单介绍。

刘海晶，夏永姚

(复旦大学化学系上海市分子催化与先进材料重点实验室新能源研究院 上海 200433)

1引言

超级电容器的发展始于20世纪60年代，在20世纪90年代由于混合电动汽车的兴起，超级电容器受到了广泛的关注并开始迅速发展起来[1—6]。超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置[7—11]，其容量可达几百至上千法拉。与传统电容器相比，它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，传统电容器以μF(微法)标称电容量，超级电容器静电容量可达到10万F以上;而与蓄电池相比，它又具有较高的功率密度和更好的循环寿命，且对环境无污染(见表1)。因此，它结合了传统电容器与电池的优点，是一种应用前景广阔的化学电源，属于新兴的功率补偿和储能装置范畴。近几年来，超级电容器技术的发展引起了人们的广泛关注，并成功应用在消费电子类产品、能源交通(电动汽车、太阳能和风能储能)、功率补偿等领域，其市场规模正在快速扩大。

2电化学超级电容器简介

2.1超级电容器工作原理及分类

超级电容器作为功率补偿和能量存储装置，其储存电量的多少表现为电容F的大小。根据电能的储存与转化机理，超级电容器分为双电层电容器(electric double layer capacitors，EDLC)和法拉第准电容器(又叫赝电容器，pseudo-capacitors)，其中法拉第准电容器又包括金属氧化物电容器和导电高分子电容器。最近又出现了一种正负极分别采用电池材料和活性炭材料的混合超级电容器。

2.1.1双电层电容器

双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。是以双电层-双电层(electric double layer)为主要机制，即在充电时，正极和负极的炭材料表面分别吸附相反电荷的离子，电荷保持在炭电极材料与液体电解质的界面双电层中。这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，这种储能过程是可逆的。双电层电容器主要是由具有高比表面积的电极材料组成，目前主要研究开发了采用碳电极的电化学双电层电容器。该碳电极主要是由高比表面积的活性炭颗粒制得，以硫酸或到导电型的固体电解质作为电解液，在其使用电位范围内，充电时可得到很大的界面双电层电容。

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