超級電容器電極材料及儲能機(jī)理

羅玉馨，董小鳳，羅夢琪，譚亞梅，卓春蕊，楊光敏*

（長春師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春 130000）

超級電容器電極材料及儲能機(jī)理

羅玉馨，董小鳳，羅夢琪，譚亞梅，卓春蕊，楊光敏*

（長春師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春 130000）

為了減少對化石能源的依賴，發(fā)展電動車輛，但由于其能源儲存不方便性，制約了它們的發(fā)展。由此為了制備廉價(jià)高性能的電極材料，提高儲能元件的性能，研究超級電容器就顯得尤為重要。目前已經(jīng)制造出以超級電容為儲能元件的公交電車，在乘客上下車30s內(nèi)可充滿電并連續(xù)行駛5公里km以上。但對于需要連續(xù)行駛里程更長的電動汽車而言，這樣的儲電量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以提高超級電容的能量密度是非常重要的。

超級電容器；電極材料；儲能機(jī)理

本文主要從超級電容的電學(xué)性能、元件的結(jié)構(gòu)和原理、電極材料等方面討論超級電容的儲能機(jī)理。

根據(jù)電極材料及儲能機(jī)理可分為雙電層電容器、贗電容電容器和混合型電容器。

1 雙電層電容

在電極材料和隔膜中，常使用多孔性材料來提高材料的比表面積，增加其電容量。隔膜一般采用纖維結(jié)構(gòu)的絕緣材料以滿足更高的離子電導(dǎo)和較低的電子電導(dǎo)。

超級電容器是在界面雙電層的理論基礎(chǔ)上研究出的一種特殊電容。Helmoholtz（1879）、Gouy（1910）等發(fā)現(xiàn)在金屬和電解液之間電荷被分離并形成了一個(gè)電荷層。在電極和電解液的接觸面上，電解液中攜帶電荷的離子自發(fā)的聚攏在導(dǎo)體的附近。金屬內(nèi)部的電荷聚集在金屬表面，與電解液聚集的離子各自形成一個(gè)電荷層，由此這個(gè)具有兩層相異電荷的界面區(qū)域就被稱為雙電層。制造雙電層電容器的理論基礎(chǔ)就是德國物理學(xué)家Helmoholtz提出的界面雙電層理論。簡而言之：如果在電解液中放入一對電極，并在電極中間加上不足以引起電解質(zhì)溶液分解的直流電壓，在電場力的作用下電解液中的陰陽離子分別向正負(fù)兩電極快速移動，并在電極的表面形成電荷層，即通過雙電層來儲存電能。此時(shí)形成的雙電層和普通電容器在電場中電介質(zhì)極化后的極化電荷相似，相當(dāng)于電容。這個(gè)系統(tǒng)等價(jià)于兩個(gè)串聯(lián)的電容器加一個(gè)內(nèi)部電阻。此外致密的雙電層等效于平行板電容器，雙電層的間距比傳統(tǒng)電容器的兩極板距離要小很多，因此電容量比普通電容器大很多。雙電層電容器每一個(gè)電極的電容量可表示為：C=A（Ke/ d）；Ke表示在界面區(qū)的介電常數(shù)，d是電荷層間距，A代表電解質(zhì)與電極間接觸面面積，（Ke/d）為10~30μF/cm2，所以比表面積就主要決定雙電層電容的大小，多孔炭材料就成為首選。

2 贗電容電容器

贗電容電容器，也稱法拉第準(zhǔn)電容器（黃金電容器），它的工作機(jī)理是在電極表面或電極內(nèi)部二維平面上的氧化還原活性物質(zhì)（如金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物等）在電極材料的表面或者內(nèi)部進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生可逆的化學(xué)吸附、脫附或氧化、還原反應(yīng)，相當(dāng)于在電極表面產(chǎn)生了一個(gè)電容，進(jìn)而存儲電荷。贗電容可以在整個(gè)電極產(chǎn)生，因此電容量和能量密度比雙層電容器更高。在同等條件下，贗電容電容器通過氧化還反應(yīng)而產(chǎn)生的最大電容是雙電層電容器電容的100倍。

3 超級電容器的電極材料

3.1 負(fù)極材料

超級電容器負(fù)極材料主要是炭材料，商業(yè)化使用的負(fù)極炭材料主要是石墨。因負(fù)極材料不參與氧化還原反應(yīng)，而碳材料價(jià)格便宜，所以法拉第電容也一般制成非對成型電容器。

3.2 正極材料

用來制作超級電容器正電極的材料主要有三類：碳材料、金屬氧化物材料和導(dǎo)電聚合物材料?，F(xiàn)在主要有以下幾種電極材料：最初被用作電極材料的是多孔炭；活性炭粉、活性炭纖維、碳凝膠、碳納米管、玻態(tài)炭、模板炭、碳化物衍生炭、石墨烯等。碳材料具有比表面積大、導(dǎo)電率高、電解液浸潤性好、電位窗口寬等優(yōu)點(diǎn)，但是它的缺點(diǎn)主要是能量密度及功率密度低使其比電容偏低。這種材料主要是利用電極/電解液界面形成的雙電層儲存能量，即雙電層電容，通過增大電極活性物質(zhì)的比表面積，可以增加界面雙電層面積，從而提高雙電層電容。但實(shí)際利用率并不高，原因在于現(xiàn)在的工藝條件制備的多孔碳材料無法避免孔徑為2nm以下微孔的形成，而理想的多孔碳材料的小孔直徑一般要大于2nm才可有效的形成雙電層。因此要努力提高比表面積并控制微孔直徑，使其直徑大于2nm。除此之外，電極材料表面的官能團(tuán)和電極材料本身的導(dǎo)電率對電容器的性能也有影響。

金屬氧化物電極材料的研究是以法拉第準(zhǔn)電容儲能原理為研究基礎(chǔ)的。就是在電極與電解質(zhì)接觸面上發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生的吸附電容即法拉第準(zhǔn)電容，容值是多孔炭材料的雙電層電容的10~100倍。但金屬氧化物材料價(jià)格高且雙電層電容瞬間大電流放電的功率比贗電容電容器高。對于金屬氧化物電極材料研究工作主要為以下兩個(gè)研究方向：①制備高比表面積的金屬氧化物活性物質(zhì)。②使單一金屬氧化物與其他金屬氧化物復(fù)合。

4 結(jié)束語

導(dǎo)電聚合物材料也是一個(gè)重要的研究對象，導(dǎo)電聚合物在充放電過程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在電極材料膜上迅速產(chǎn)生n或p型摻雜進(jìn)而使電極材料上儲存高密度的電荷，產(chǎn)生很大的贗電容來實(shí)現(xiàn)電容器對電能的儲存。這種電極材料制成的超級電容器具有工作時(shí)間長、適溫范圍廣、環(huán)境友好等特點(diǎn)，但電極材料本身化學(xué)穩(wěn)定性差。合成新的導(dǎo)電聚合物材料，需要尋找的導(dǎo)電聚合物應(yīng)具有更好的摻雜特性，提高聚合物電極的充放電能力、重復(fù)使用次數(shù)和化學(xué)穩(wěn)定性等。

[1] 王松宇，王國慶.雙電層電容器及其應(yīng)用[J].國外電子元器件，2001，（6）：11-14.

[2] 梅濱.新型雙電層電容器研究現(xiàn)狀及展望[J].炭素，2003，（2）：32-35.

[3] 邱照遠(yuǎn).贗電容材料用作超級電容器電極材料的研究[D].華僑大學(xué)，2013.

Electrode Material and Energy Storage Mechanism of Supercapacitor

Luo Yu-xin，Dong Xiao-feng，Luo Meng-qi，Tan Ya-mei，Zhuo Chun-rui，Yang Guang-min

In order to reduce the dependence on fossil energy，the development of electric vehicles，but because of the inconvenience of their energy storage restricts their development.Therefore，it is very important to study the super capacitor in order to prepare the high performance electrode material and improve the performance of the energy storage element.At present，it has been made a super capacitor as the energy storage components of the bus，the passengers get off the 30s can be full of electricity and continuous travel more than 5 km.But it is not enough for an electric vehicle that needs a longer range of mileage，so it is very important to improve the energy density of supercapacitors.

supercapacitor；electrode material；energy storage mechanism

TM53；TB332

B

1003–6490（2017）05–0183–02

2017–04–05

羅玉馨（1997—），女，湖南長沙人，本科在讀，主要研究方向?yàn)槲锢聿牧稀?/p>

楊光敏（1981—），女，吉林長春人，副教授，主要研究方向?yàn)榧{米碳材料的研究。