超級(jí)電容器的電極材料及應(yīng)用

羅玉馨　董小鳳　羅夢(mèng)琪　譚亞梅　卓春蕊　楊光敏

【摘 要】本文主要從超級(jí)電容的電學(xué)性能、元件的結(jié)構(gòu)和原理、電極材料等多個(gè)方面討論超級(jí)電容的儲(chǔ)能機(jī)理。分別講述雙電層電容器，法拉第電容器以及混合電容器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和其儲(chǔ)能機(jī)理。還探討了電極材料對(duì)于超級(jí)電容器的儲(chǔ)存電量的影響。本文尤為重要的介紹了碳材料，金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物等三種材料選取對(duì)于超級(jí)電容器性能的影響。最后討論一下超級(jí)電容器目前的最新發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】超級(jí)電容器；雙電層電容器；贗電容電容器；電極材料；應(yīng)用

1 超級(jí)電容器的研究背景及意義

超級(jí)電容器，又叫電化學(xué)電容器。與傳統(tǒng)意義上的電容器有著不同的儲(chǔ)能機(jī)理，該電容器依靠被氧化還原的贗電容電荷與雙電層來儲(chǔ)存電能。作為介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的一種新型電源，超級(jí)電容器具備著很多的優(yōu)點(diǎn)。例如，能長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)使用，放電時(shí)間短，功率密度高以及不受溫度影響等一系列其他電容器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。所以，超級(jí)電容器被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制，城市公交系統(tǒng)，鐵路樞紐，航空航天等大型設(shè)施建設(shè)中。尤其在國(guó)防科工，通信航天等領(lǐng)域中，有著巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用價(jià)值。

從十九世紀(jì)70年代至今，超級(jí)電容器的發(fā)展歷經(jīng)了很多重要的歷程：上世紀(jì)五十年代末，有科學(xué)家提議把由金屬片構(gòu)成的雙層電化學(xué)電容器替換成由多空碳材料構(gòu)成的電容器，并得到了實(shí)踐的證明，換句話說，此時(shí)電化學(xué)電容器得到了飛速的進(jìn)步；世界上第一個(gè)商用超級(jí)電容器于1971年問世，這標(biāo)志著超級(jí)電容器已經(jīng)開始進(jìn)入市場(chǎng)化運(yùn)作階段；二十世紀(jì)八十年代，由于引進(jìn)了贗電容電極材料，超級(jí)電容器的能量密度得到了大幅度提升，達(dá)到了從未達(dá)到過的法拉級(jí)別，至此，所謂的電化學(xué)電容器才被冠以真正意義上的超級(jí)電容器；九十年代，超級(jí)電容器的發(fā)展前景被西方發(fā)達(dá)國(guó)家看重，他們紛紛提出了為該電容器服務(wù)的重大戰(zhàn)略?！岸蹋校L(zhǎng)”計(jì)劃由美國(guó)提出，希望通過對(duì)超級(jí)電容器的研究，能夠給予F22戰(zhàn)機(jī)更為先進(jìn)的電磁彈射裝置，而歐盟國(guó)家聯(lián)合提出了超級(jí)電容器汽車項(xiàng)目。不過可悲的是，現(xiàn)在最大規(guī)模的超級(jí)電容器汽車即特斯拉公司卻在美國(guó)硅谷中運(yùn)行。不甘于落后的日本列出了“新陽光計(jì)劃”旨在加速超級(jí)電容器的研究，來帶動(dòng)一系列的崗位以及就業(yè)問題。到了二十一世紀(jì)，我國(guó)對(duì)于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)理有了新的研究方向，現(xiàn)已成為超級(jí)電容器輸出強(qiáng)國(guó)。

2 碳材料在儲(chǔ)能電極材料的中的應(yīng)用

眾所周知，儲(chǔ)能材料決定著超級(jí)電容器的功率和能量密度。所以，對(duì)于儲(chǔ)能材料的研究就成為了對(duì)超級(jí)電容器研究的重中之重。在對(duì)于混合型電容器的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了用納米碳材料作為電極能得到更加明顯的儲(chǔ)能效果。這種電容器是由半個(gè)雙電層的碳電極與半個(gè)含有無機(jī)化合物和聚合物構(gòu)成的電極，與傳統(tǒng)的電極有著明顯的不同，這種構(gòu)造能夠明顯的提升存儲(chǔ)電能的效率，加長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間，目前，此類電容器是超級(jí)電容器的研究熱點(diǎn)，希望在不久的將來，能夠投入到大規(guī)模的生產(chǎn)中，來為人類造福。

碳元素是自然界種最活躍的一種元素，可以說是與人們的生活是密不可分的。他具有著三種不同的電子雜化軌道，所以碳元素是能構(gòu)成各種各樣形式的同素異形體的元素之一。尤其是石墨烯，其巨大的儲(chǔ)能效率已經(jīng)贏得了眾多科學(xué)家的青睞，并且石墨烯有著很多材料所不能比擬的儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn)。因此石墨烯作為電極是很好的選擇。

3 超級(jí)電容器的電極材料

制作超級(jí)電容器的電極材料在大體上可以分為碳材料、導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物這三類。因?yàn)殡姌O的優(yōu)劣會(huì)直接影響到電容器的性能，它是超級(jí)電容器的重要依托。所以，優(yōu)質(zhì)又價(jià)廉的電極材料一直以來備受人們的追捧。下面，我就從電極的材料選取方面來講述不同材料電極對(duì)于超級(jí)電容器的性能的影響。

3.1 碳材料

對(duì)于超級(jí)電容器的電極的材料選取時(shí)間來看，碳材料可以說是被最早應(yīng)用上的。因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉，性能優(yōu)異，所以被看重。從碳材料被應(yīng)用，一直到現(xiàn)在，大約歷經(jīng)了六十多年的時(shí)間。期間的發(fā)展過程，可謂艱辛。碳材料，有著巨大的比表面積，意味著具有的電容量也就越大。另外，碳材料表面上的官能團(tuán)，表面密度等對(duì)電容量的影響也非常的大。而帶的官能團(tuán)不同，也就意味著儲(chǔ)存電荷的能力也就不同。而我們知道，他可以帶成千上萬種不同類型的官能團(tuán)，至今，科學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)了有以下幾種碳材料可以應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料。

3.1.1 活性炭

之所以選擇活性炭材料作為超級(jí)電容器的電極材料，是因?yàn)榛钚蕴烤哂休^高的電導(dǎo)率。我們知道，作為活性炭材料，電導(dǎo)率是隨著材料的表面積的增加而降低，而活性炭材料雖然有著很高的比表面積，但是其表面積卻很低，所以它會(huì)有很高的電導(dǎo)率。

3.1.2 碳納米管

由于碳納米管具有非常好的導(dǎo)電性，結(jié)晶度高，比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，所以，將碳納米管作為超級(jí)電容器的電極材料是極好的選擇。由于碳納米管表面有著很大的比表面積以及豐富的官能團(tuán)，所以對(duì)于電荷的吸附能力是非常強(qiáng)的，也能形成雙電層，不光具有雙電層電容器的特效，還有氧化還原的能力。所以，吸收電荷的能力也就隨之增強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，增加了比表面積的碳納米管在吸收大量的官能團(tuán)之后，要比活性炭吸附的電荷量多30%左右。并且重復(fù)循環(huán)次數(shù)也會(huì)顯著提升。

3.2 金屬氧化物

上世紀(jì)九十年代，科學(xué)家們通過大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，一些金屬的氧化物也具有很強(qiáng)的氧化性，可以用來作為超級(jí)電容器的電極材料。比如說用電化學(xué)沉積法制備的MnO2電極材料，比用導(dǎo)電聚合物作為電極材料的電容儲(chǔ)備量竟然能高出40%以上。而且經(jīng)過充放電等2500次之后，電容量的衰減不到7%。這是金屬氧化物作為電極的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，耗損很少。正如雙層電容器的工作原理那樣，它的導(dǎo)電原理是通過電極上的導(dǎo)電聚合物的氧化還原來儲(chǔ)存能量的。發(fā)生氧化還原反應(yīng)之后，能在聚合物表面上形成大量的N型和P型摻雜，使其儲(chǔ)存了高密度的電荷，所以會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)模的電容。

3.3 導(dǎo)電聚合物

正如贗電容器的工作原理那樣，它的導(dǎo)電原理是通過電極上的導(dǎo)電聚合物的氧化還原來儲(chǔ)存能量的。發(fā)生氧化還原反應(yīng)之后，能在聚合物表面上形成大量的N型和P型摻雜，使其儲(chǔ)存了高密度的電荷，所以會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)模的電容?，F(xiàn)在的導(dǎo)電聚合物電極材料一般分為三類。其一，兩種電極都是N型摻雜。其二，兩種電極都是P型摻雜。其三，兩種電極，一個(gè)是N型摻雜，一種是P型摻雜。并且第三種是兩種摻雜類型不同的電極，對(duì)陰陽離子的吸附能力要強(qiáng)一些，所以第三種混合摻雜型會(huì)使得電容器儲(chǔ)存電能的能力大大增強(qiáng)。雖然它的儲(chǔ)存電能的能力很強(qiáng)，并且溫度范圍寬，但是其造價(jià)成本很高，做成的品種和類型也遠(yuǎn)不如活性炭材料做成的種類多。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周強(qiáng)，王金全，楊波.超級(jí)電容器：性能優(yōu)越的儲(chǔ)能器件[J].電氣，2002，18：15-16.

[2]耿新.二氧化錳電化學(xué)電容器的研究[C].天津大學(xué)，[2005，03：78-34.

[3]史軍.聚苯胺及其復(fù)合材料的制備與性能研究[C].天津大學(xué)，2011，09：36-5.

[4]唐月.高電導(dǎo)納米粒子增強(qiáng)石墨烯/四氧化三錳復(fù)合材料電化學(xué)性能的研究[C].東華大學(xué)，2007，23：76-34.

[5]胡向春.新型炭材料的制備及其電化學(xué)性能研究[C].暨南大學(xué)，2007，14：16-35.

[6]蔣鳳平.導(dǎo)電聚合物的制備與電化學(xué)性能[C].暨南大學(xué)，201219：5-51.

[7]白志上.電化學(xué)超級(jí)電容器薄膜電極材料的制備及其性能研究[C].燕山大

學(xué)，2011，07：45-75.

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