超级电容器电极材料科普
超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。研究和开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧化物)、导电聚合物等，而碳材料和金属氧化物电极材料的商品化相对较成熟，是当前研究的热点。
1什么是超级电容器？
超级电容器(supercapacitors或ultracapacitors)又称电化学电容器(electrochemicalcapacitors)，是一种介于二次电池与常规电容器之间的新型储能器件，兼有二次电池能量密度高和常规电容器功率密度大的优点；此外，超级电容器还具有对环境无污染、效率高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点，在电动汽车、新能源发电、信息技术、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
超级电容器还可以与充电电池组成复合电源系统，既能够满足电动车启动、加速和爬坡时的高功率要求，又可延长充电电池的循环使用寿命，实现电动车动力系统性能的最优化。当前，国内外已实现了超级电容器的商品化生产，但还存在着价格较高、能量密度低等问题，极大地限制了超级电容器的大规模应用。
超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。研究和开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。
目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧化物)、导电聚合物等，而碳材料和金属氧化物电极材料的商品化相对较成熟，是当前研究的热点。因此，本文将重点介绍碳材料、金属氧化物及其复合材料等高性能电极材料的最新研究进展以及商品化应用前景。
2碳材料作为超级电容器电极材料的最新研究进展
碳材料发展史
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，主要包括活性炭、模板炭、碳纳米管、活性炭纤维、炭气凝胶和石墨烯等。碳材料具有导电率高、比表面积大、电解液浸润性好、电位窗口宽等优点，但其比电容偏低。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。
碳纳米管
I 黑电箱
J 电极
■—■隔JS
电解液
碳纳米管是20世纪90年代初发现的一种纳导电性和化学稳定性、较大的比表面积、适合电解质离子迁移的孔隙，以及交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构，因而曾被认为是高功率超级电容器理想的电极材料。
Niu等人最早报道了将碳纳米管用作超级电容器电极材料的研究工作，他们采用催化热解法将烃类制成多壁碳纳米管薄膜电极，在质量分数为38%的H2SO4电解液中以及在0.001〜100Hz的不同频率下，比电容达到50〜110F/g,其功率密度超过了8卜亚48。但是，自由生长的碳纳米管形态各异、取向杂乱，甚至夹杂伴生有非晶态碳，难以纯化，这就提高了其实际应用的难度。
由于活性炭具有稳定的使用寿命、低廉的价格以及大规模的工业化生产基础，已经在商品化超级电容器生产中被广泛采用。20世纪60年代，Becker申请了第1个关于活性炭材料电化学电容器的专利，他在金属基底上涂覆具有高比表面积的活性炭，然后浸渍在H2SO4溶液中，借助在活性炭孔道界面形成的双电层结构来存贮电荷。
制备活性炭的原料来源非常丰富，煤、木材、坚果壳、树脂等都可用来制备活性炭粉。原料经调制后进行活化，活化方法有化学活化和物理活化两种。化学活化是在500〜700℃的温度下，采用磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠和氯化锌等作为活化剂；物理活化通常是指在水蒸气、二氧化碳和空气等氧化性气氛中，在800〜1200℃高温下，对碳材料原料进行处理。采用活化工艺制备的活性炭孔结构通常具有尺寸跨度较宽的孔径分布，包括微孔(<2nm)、介孔(2〜50nm)和大孔(>50nm)。
需要指出的是，当活性炭比表面积高达3000m2/g时，也只能获得相对较小的比电容(<11uF/cm2),小于活性炭双电层比电容理论值(15〜25口F/cm2),这表明并非所有的孔结构都具备有效的电荷积累。
虽然比表面积是双电层电容器性能的一个重要参数，但孔分布、孔的形状和结构、导电率和表面官能化修饰等也会影响活性炭材料的电化学性能。过度活化会导致大的孔隙率，同时也会降低活性炭的堆积密度和导电性，从而减小活性炭材料的体积能量密度；另外，活性炭表面残存的一些活性基团和悬挂键会使其同电解液之间的反应活性增加，也会造成电极材料性能的衰减。因此，设计具有窄的孔分布和相互交联的孔道结构、短的离子传输距离以及可控的表面化学性质(如表面张力、表面自由能等)的活性炭材料，将有助于提高超级电容器的能量密度，同时又不影响其功率密度和循环寿命。
目前商品化超级电容器电极材料的首选仍然是活性炭，不过随着其它新型碳材料(如碳纳米管、石墨烯等)的不断发展，将来有可能替代活性炭材料。
近些年来，高度有序碳纳米管阵列的研究再次引起关注，这种在集流体上直接生长的碳纳米管阵列不仅减小了活性物质与集流体间的接触电阻，而且还简化了电极的制备工序。
活性炭
活性馔
显微结构
由于活性炭具有稳定的使用寿命、低廉的价格以及大规模的工业化生产基础，已经在商品化超级电容器生产中被广泛采用。20世纪60年代，Becker申请了第1个关于活性炭材料电化学电容器的专利，他在金属基底上涂覆具有高比表面积的活性炭，然后浸渍在H2SO4溶液中，借助在活性炭孔道界面形成的双电层结构来存贮电荷。
制备活性炭的原料来源非常丰富，煤、木材、坚果壳、树脂等都可用来制备活性炭粉。原料经调制后进行活化，活化方法有化学活化和物理活化两种。化学活化是在500〜700℃的温度下，采用磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠和氯化锌等作为活化剂；物理活化通常是指在水蒸气、二氧化碳和空气等氧化性气氛中，在800〜1200℃高温下，对碳材料原料进行处理。采用活化工艺制备的活性炭孔结构通常具有尺寸跨度较宽的孔径分布，包括微孔(<2nm)、介孔(2〜50nm)和大孔(>50nm)。
需要指出的是，当活性炭比表面积高达3000m2/g时，也只能获得相对较小的比电容(<11uF/cm2),小于活性炭双电层比电容理论值(15〜25口F/cm2),这表明并非所有的孔结构都具备有效的电荷积累。
虽然比表面积是双电层电容器性能的一个重要参数，但孔分布、孔的形状和结构、导电率和表面官能化修饰等也会影响活性炭材料的电化学性能。过度活化会导致大的孔隙率，同时也会降低活性炭的堆积密度和导电性，从而减小活性炭材料的体积能量密度；另外，活性炭表面残存的一些活性基团和悬挂键会使其同电解液之间的反应活性增加，也会造成电极材料性能的衰减。因此，设计具有窄的孔分布和相互交联的孔道结构、短的离子传输距离以及可控的表面化学性质(如表面张力、表面自由能等)的活性炭材料，将有助于提高超级电容器的能量密度，同时又不影响其功率密度和循环寿命。
目前商品化超级电容器电极材料的首选仍然是活性炭，不过随着其它新型碳材料(如碳纳米管、石墨烯等)的不断发展，将来有可能替代活性炭材料。
石墨烯
英国科学家Geim等人于2004年发现了一种由碳原子组成的单层石墨片，即石墨烯（graphene。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，而且还异常牢固坚硬。作为单质，它在室温下传输电子的速度是已知的所有导体中最快的。碳纳米管和石墨烯分别作为一维纳米材料和二维纳米材料的代表，二者在结构和性能上具有互补性。
从目前来看，石墨烯具有更加优异的特性，例如具有高电导率和热导率（5000W/m.K）、高载流子迁移率（2X105。山2川.$）、自由的电子移动空间、高强度和刚度（杨氏模量约为1.0TPa）、高理论比表面积（2600m2/g）等。因此石墨烯在单电子器件、超灵敏传感器、电极材料、药物载体等领域具有广阔的应用前景。利用石墨烯材料的高比表面积和高导电率等独特优点，可望获得价格低廉和性能优越的下一代高性能超级电容器电极材料。
3金属氧化物作为超级电容器电极材料的研究进展
金属氧化物主要是通过电极活性物质在电极表面及近表面发生快速氧化还原反应来储存能量。其工作原理与化学电源相同，但充放电行为与常规电容器类似，故称法拉第赝电容。法拉第赝电容具有相对较高的容量，是双电层电容的10〜100倍。加快电极活性物质的电化学反应速率和增大电极活性物质的利用率，是提高金属氧化物超级电容器比电容的有效途径。
氧化钉材料
用作超级电容器电极材料的氧化钌EM图
氧化钉材料具有比电容高、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。美国陆军研究实验室在1995年就报道了无定形水合氧化钉比电容高达768F/g，基于电极材料的能量密度为26.7Wh/kg。目前，美国已将氧化钉材料用于航空航天和军事科学等重要领域。但是钉资源有限，价格十分昂贵，难以普遍应用。为进一步提高性能和降低成本，国内外均在积极寻找其它价格较为低廉的金属氧化物电极材料。
已有研究表明，二氧化锰、氧化钻、氧化镍、氧化铁和氧化钒等具有与氧化钉类似的电化学性能，其中二氧化锰为目前研究较多的电极材料之一。
二氧化锰材料
图2ex-二氧化镒制备的极片的SEM图
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（在水溶液体系中达到1000mV以上，与氧化钉电极材料相当）等显著优点。更重要的是，二氧化锰基超级电容器可以采用中性电解质溶液（如Na2SO4水溶液、KCl水溶液等），不像其它金属氧化物或碳基超级电容器必须采用强酸或强碱的电解质，这就使二氧化锰基超级电容器的组装及使用更加安全和方便。止匕外，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、短的离子扩散距离和电子输运距离，可以大大提高其电化学活性。
1999年，Goodenough等人首次研究了无定型二氧化锰电极材料在超级电容器中的应用。他们采用共沉淀法制备出高比表面积的无定型二氧化锰材料（303m2/g），在2mol/L的KCl电解液中，比电容达203F/g。
4复合材料作为超级电容器电极材料的研究进展
将复合材料用于超级电容器是近年来的研究热点，通过利用复合材料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（如石墨烯材料）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；而金属氧化物（如二氧化锰材料）的导电性通过复合后，其性能同样得到明显提高，同时还相应改善了功率特性。
石墨烯复合材料
Wang等人采用水热晶化法在石墨烯上制备出Ni（OH）2纳米片，在1mol/L的KOH电解液中，当恒流充放电电流密度为2.8A/g时，基于整个复合材料质量的比电容可达935F/g，而基于Ni（OH）2质量的比电容则高达1335F/g（电位窗口为-0.05〜0.45V，参比电极为Ag/AgCl）。他们还研究了不同制备条件和石
墨烯前体含量氧的差异对复合材料比电容的影响，当扫描速度为40mV/s时，采用在石墨烯表面原位生长Ni(OH)2、石墨烯与Ni(OH)2机械混合以及在氧化石墨烯表面上生长Ni(OH)2等方法，制备出的复合材料的比电容分别为877F/g？339F/g 和297F/g。上述结果表明，高导电性的石墨烯有助于宏观团聚状Ni(OH)2与集流体之间实现快速而有效的电荷输运，同时伴随着能量的快速存储和释放。
二氧化锰复合材料
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图3二氧化镉中插层导电聚合物结构示意图
由于二氧化锰属于半导体材料，与贵金属氧化物相比，导电性较差，严重影响了二氧化锰材料的电化学性能。因此，研究人员多采用掺杂或者复合的手段来提高二氧化锰材料的导电性。碳纳米管、介孔碳以及最近出现的石墨烯等碳材料与二氧化锰复合的研究工作已有相关的文献报道；此外，导电聚合物与二氧化锰的复合也引起了极大关注。这种有机-无机复合材料能充分发挥两类材料的各自优势，极大地改善了电极的综合性能。
5展望
超级电容器作为一种新兴的储能元件具有极其广阔的市场前景，而高性能电极材料是当前超级电容器研究的重点。超级电容器要想满足电动汽车和可再生能源发电等对高能量/高功率密度的需求，必须使电极材料具有比电容高、比表面积大、导电率高、循环寿命长和成本低等特点。
活性炭的孔径控制比较难，比表面积利用率低；碳纳米管的价格比较昂贵，难以纯化，从而极大地影响了碳纳米管在超级电容器中的实际应用；石墨烯是一种新型的碳材料，具有优良的导电性和开放的表面结构，储能特性优异。如能实现规模化制备，并降低成本、性能可控，则石墨烯电极材料将具有诱人的应用前景，并可望在不久的将来走向产业化。
对于廉价金属氧化物—一二氧化锰，如能有效解决其导电率和循环稳定性差的问题，进一步提高电极材料的利用率，将有助于实现二氧化锰超级电容器大规模的应用。
另一方面，采用复合材料作为电极材料，扬各材料之长而避其短，也即通过“协同效应”有利于提高材料的综合电化学性能。当前，国内外制备高能量密度、
高功率密度和低成本的新型复合材料（如石墨烯-二氧化锰复合材料等）的研究热点是复合体系的筛选以及新型的纳米复合技术。但从总体上来说，复合材料的合成方法、作用机制以及电化学性能的研究还处于发展阶段，要完全满足实用化的要求，还有待于进一步的深入研究和材料性能的完善。
超级电容器材料的研究及应用 超级电容器是一种利用电场存储电能的能量存储器，其在电化学和电磁学理论 上都有一定的发展。超级电容器具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，在现代航空、汽车、宇航和智能电网等领域有着广泛的应用。而超级电容器的核心是电极材料，所以先进的电极材料能够带来超级电容器工作性能更好的表现。 一、超级电容器电极材料的研究现状 目前，超级电容器电极材料的研究集中在以下领域： （1）金属氧化物材料的研究。金属氧化物，如钼酸锂、钴酸镍等，具有优异 的电极电化学性能，同时元素资源广泛，价格低廉，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究与应用。 （2）碳材料的研究。碳材料是制备超级电容器电极材料的主要原材料之一， 具有良好的导电性和热稳定性。而以活性炭为代表的多孔碳材料还具有大表面积、高比电容等优良性质，因此在超级电容器电极材料以及电池、传感器等领域应用广泛。 （3）二维材料的研究。二维材料，如石墨烯和硼氮化物，具有高比表面积、 方便处理的优势，已被广泛研究作为超级电容器电极材料。尤其石墨烯由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性等特性，在超级电容器电极材料研究中被广泛关注。 （4）金属有机骨架材料的研究。金属有机骨架材料，即MOFs，是由金属离 子和有机配体组成的晶态材料，具有极大的内孔体积以及可调控的孔径和结构。这种新型材料具有极高的表面积和储能密度，是超级电容器电极材料研究的热点之一。 二、超级电容器电极材料的制备方法
超级电容器电极材料的制备方法主要分为化学还原法、水热法、煅烧法、氧化还原电位法等。其中化学法是制备超级电容器电极材料的常规方法，其通过调节反应条件，可控制电化学行为，实现材料的优异电化学性能；而水热合成是在相对低的温度和压力下，通过压剂或表面修饰剂，实现材料形貌和结构的微观调控；氧化还原电位法是通过扫描电位电化学法控制电位，调控材料的化学反应，从而实现精准控制。 三、超级电容器材料的应用 超级电容器在现代工业、航空、军事、医学等领域得到了广泛的应用。在车载电子设备中，超级电容器被用作快速储能装置，以起到启动辅助、回收制动能量等作用；在飞行器中，超级电容器是一种可靠的支持电源，它能够快速处理瞬间高功率负载，为系统提供峰值功率；在医学领域，超级电容器被用于制备植入式医疗器械，如心脏搏动刺激器、听力助听器等。 总之，超级电容器材料的研究和应用具有广阔的发展前景。未来，我们可以通过对电极材料的研究和改进，进一步提高超级电容器的能量密度和可靠性，以满足日益增长的电能需求。
超级电容器的能量密度提升要求与电极材料研究 超级电容器是一种新型的电能存储装置，其具有高功率密度、长循环寿命、快速充放电等特点，因此被广泛应用于电动车辆、电力系统调度和储能等领域。但是，与传统的化学电池相比，超级电容器的能量密度仍然较低，这成为其应用范围受限的主要原因之一。因此，提升超级电容器的能量密度成为了当前超级电容器研究的一个重要方向。 要提升超级电容器的能量密度，首先需要通过改进电极设计来增加电容器的结构密度。电极是超级电容器中最重要的部分之一，其性能直接影响到电容器的能量密度。目前，常用的电极材料主要包括活性碳、金属氧化物和导电高分子材料等。研究表明，采用纳米级的活性材料可以增加电极的比表面积，进而提升电容器的能量密度。因此，通过控制电极材料粒径和形貌，可以有效地提高电容器的能量密度。 其次，提升超级电容器的能量密度还需要优化电解质的选择和设计。电解质是超级电容器中的另一个重要组成部分，其主要功能是提供离子导电的通道。目前，常用的电解质种类包括有机电解质和无机电解质。要提高电容器的能量密度，可以采用高氧化还原电势和低电阻的电解质，以增加超级电容器的工作电压。此外，研究人员还利用纳米孔和介孔材料等技术来改善电解质在电极表面的吸附性能，从而减小电容器的内阻，提高能量密度。 除了改进电极和电解质，提升超级电容器的能量密度还可以通过设计新型的电极结构来实现。例如，研究人员在电极上引入
纳米线、多孔结构和复合材料等，可以增加电容器的电容量和能量密度。此外，利用软模板法、自组装技术和原子层沉积等方法，可以制备出具有高表面积和多孔性的电极材料，进一步提高电容器的能量密度。 同时，提升超级电容器的能量密度还需要进一步研究电荷传输动力学和离子扩散过程等。电荷传输动力学和离子扩散过程是超级电容器中电荷和离子在电极和电解质之间传输的关键过程。因此，研究电荷传输和离子扩散机制，优化电子和离子的传输速率，可以提高电容器的电极效能和能量密度。 综上所述，要提升超级电容器的能量密度，需要改进电极设计、优化电解质选择和设计、设计新型的电极结构，以及研究电荷传输动力学和离子扩散过程等。通过这些方法的不断改进和创新，相信超级电容器的能量密度可以得到显著提高，从而更好地满足人们对高功率和长周期使用的能量存储需求。为了提高超级电容器的能量密度，除了改进电极设计、优化电解质选择和设计、设计新型的电极结构以及研究电荷传输动力学和离子扩散过程等，还有一些其他的研究方向和策略可以被探索和采用。 首先，提高超级电容器的能量密度可以考虑制备新型的电极材料。活性碳虽然具有较大的表面积，但其能量密度相对较低。因此，研究人员一直在寻求更高能量密度的电极材料。例如，金属氧化物材料具有高比电容、优异的循环稳定性和较高的电化学稳定性等特点，可以用来替代传统的活性碳电极。另外，纳米结构材料、多孔结构材料、碳纳米管等纳米材料也可以用
超级电容器电极材料科普 超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。研究和开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧化物)、导电聚合物等，而碳材料和金属氧化物电极材料的商品化相对较成熟，是当前研究的热点。 1什么是超级电容器？ 超级电容器(supercapacitors或ultracapacitors)又称电化学电容器(electrochemicalcapacitors)，是一种介于二次电池与常规电容器之间的新型储能器件，兼有二次电池能量密度高和常规电容器功率密度大的优点；此外，超级电容器还具有对环境无污染、效率高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点，在电动汽车、新能源发电、信息技术、航空航天等领域具有广泛的应用前景。 超级电容器还可以与充电电池组成复合电源系统，既能够满足电动车启动、加速和爬坡时的高功率要求，又可延长充电电池的循环使用寿命，实现电动车动力系统性能的最优化。当前，国内外已实现了超级电容器的商品化生产，但还存在着价格较高、能量密度低等问题，极大地限制了超级电容器的大规模应用。 超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。研究和开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。 目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧化物)、导电聚合物等，而碳材料和金属氧化物电极材料的商品化相对较成熟，是当前研究的热点。因此，本文将重点介绍碳材料、金属氧化物及其复合材料等高性能电极材料的最新研究进展以及商品化应用前景。
超级电容器的关键材料 超级电容器的关键材料包括电极材料?电解质?隔膜和集电材料等? （一）电极材料 电极材料是决定电容器电容量大小的主要因素,对电极材料的要求是电导率较高且不与电解质发生化学反应,表面积尽可能大,价格便宜,制备过程中易于成形? 目前,超级电容器电极材料的代表是RuO2·nH2O,比电容已达到720F/g,但Ru资源稀缺且价格昂贵?而成本较低的?比表面积较高的多孔碳电极材料,其比电容只能达到200F/g左右? （二）电解质 在电化学超级电容器中,电解质也是关键的组成部分,它不仅在电容器的性能上起着许多决定性的作用,还在相当大程度上决定着电容器实用的可靠性?现在应用和研究的电解质大致可分为固态和液态两种,液态电解质又包含水溶液和有机溶液两类? 1.水系电解质 在使用活性炭作为电极的EDLC中,H2SO4由于具有较低的凝固点,而且不存在KOH所具有的沉积结晶现象而被广泛应用?考虑到电
导率等因素,研究者们认为30%是最佳浓度?相对于H2SO4溶液而言,KOH水溶液导电性稍差,但腐蚀性弱于H2SO4,集电极可采用高导电的金属材料,因而被人们采用?其他水溶液电解质,如HCl?H3PO4?HNO3及HClO4等,也被尝试作为EDLC的电解质,但效果不佳? 2.有机电解质 有机电解质的一个重要研究内容是支持有机溶剂的电解质盐的开发和选用?应用于EDLC的支持电解质种类不多,目前使用的阳离子主要是季铵盐(R4N+)和锂盐(Li+),此外季磷盐(R4P+)和芳香咪唑盐(EMI)也有报道;阴离子主要有ClO4-?BF4-?PF6-?AsF6-和(CF3SO2)2N-等?在各种电解质盐中,Et4NBF由于具有良好的综合性能,因而在EDLC中得到了广泛的应用? 3.固体电解质 固体电解质由于良好的可靠性?无电解质泄漏?可薄型化和可延长寿命等优点而备受青睐,也实现了全固态EDLC?运用于EDLC的固体电解质分为无机固体电解质和有机固体电解质? 1)无机固体电解质 无机固体电解质本身具有良好的导电性,人们对其用做EDLC的可能性进行了大量研究,尝试使用Rb2Cu8I3C17?β-Al2O3?HUO2PO4·H2O 和RbAg4I4等固态电解质作为EDLC的电解质,其中RbAg4I4最受人
硅基超级电容器电极材料的制备及性能研究 近年来，随着人们对电能的需求不断增加，以及环保意识的不断提高，新型电 池技术的研究越来越受到关注。其中，硅基超级电容器电极材料的制备及性能研究备受瞩目。这种新型电池能够在高频率和高温环境下工作，是传统电化学电容器和电化学电池的结合体，具有能量密度高、充放电速率快、循环寿命长等优点，被广泛应用于电子、汽车、航空航天和军事等领域。本文将对硅基超级电容器电极材料的制备及性能研究进行探讨。 一、硅基超级电容器电极材料的制备 当前，硅基超级电容器电极材料常采用化学还原法、水热法、溶胶-凝胶法等 方法来制备。其中，化学还原法是一种简单、易于操作的方法，可以通过还原剂的还原作用将金属盐还原为相应的金属。水热法则是将前驱物在高温高压的水溶液体系中形成晶体，随后干燥或热解制得纳米粉末。溶胶-凝胶法则是将前驱物在溶液 中形成胶体，将胶体凝结成凝胶并热解制得纳米粉末。 此外，还可以通过球磨、喷雾干燥、阳极氧化和化学气相沉积等方法来制备硅 基超级电容器电极材料。在不同制备方法中，其所得到的材料的物理化学性质也有所不同，因此需根据具体需求选择不同的制备方法。 二、硅基超级电容器电极材料的性能研究 硅基超级电容器电极材料的性能主要包括比电容、功率密度和循环寿命等方面。比电容是指电容器储能量的大小，通常以F/g或F/cm²来表示。功率密度是指电容 器放电时所释放出的能量，以及其充电时所需的时间。循环寿命则是指电容器循环充放电的次数，通常通过循环伏安法测试。 目前，硅基超级电容器电极材料的性能研究主要有两个方向：一是提高其比电 容和功率密度；二是提高其循环寿命。前者主要通过改变电极材料的形态、尺寸、表面性质等方式实现，而后者则主要通过改变电介质材料、电极材料和电解液等方
超级电容器概述 超级电容器是一种先进的储能设备，具有高功率密度、快速充放电、循环寿命长等优点，被广泛应用于电动汽车、电力储能、工业电力调节等领域。本文将对超级电容器进行详细介绍，包括其工作原理、特点、应用和未来发展前景。 一、超级电容器概述超级电容器是一种由双电层材料制成的电力储能器件，通过极化电解质来储存电荷。其内部由一系列电极和电解质组成，电极材料通常为活性炭、金属氧化物等。当施加电压时，电荷在电极和电解质界面上积累，形成双电层，储存的电荷通过电解质与电极之间的离子相互作用进行传输。 二、超级电容器特点 1、充电时间短：超级电容器可以快速充电，可在数秒内完成充电过程，比传统电池充电时间缩短数倍。 2、寿命长：超级电容器的寿命可达数百万次充放电循环，远远超过传统电池的寿命。 3、宽电压：超级电容器可以在很宽的电压范围内工作，从几伏特到几百伏特。
4、绿色环保：超级电容器在生产和使用过程中产生的污染较低，属于绿色环保产品。 5、高功率密度：超级电容器具有高功率密度，能够在短时间内输出高功率，适用于需要短时间高功率输出的场合。 三、超级电容器应用 1、电动汽车：在电动汽车领域，超级电容器可以作为辅助能源，提高汽车的加速性能和爬坡能力，同时可以在刹车时回收能量，提高能源利用效率。 2、储能设备：在电力系统中，超级电容器可以作为储能设备，提高电力系统的稳定性和可靠性。在太阳能、风能等新能源领域，超级电容器可以作为储能器件，提高新能源的利用率。 3、工业电力调节：在工业电力调节领域，超级电容器可以用于调节电力系统的峰值功率，避免电力系统的过载和崩溃。 4、其他领域：超级电容器还可以应用于电子设备、医疗器械、航空航天等领域，作为瞬时功率补偿、电源备份等用途。 四、超级电容器发展前景随着新能源、电动汽车等领域的快速发展，
超级电容器原理及电特性 超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。 1. 级电容器的原理及结构 1.1 超级电容器结构 图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定： 其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界面的表面面积。 图1超级电容器结构框图 由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。这种超级电容器有几点比电池好的特色。 1.2 工作原理
超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 2.3 主要特点 由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点： 图2 超级电容器结构框图 ①.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3??4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。 ②.充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 000次， ③.可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。 ④.可以数十秒到书分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。 ⑤.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40??+70℃）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。
超级电容器电极材料 超级电容器是一种储能装置，它具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快速充放电等优点，因此在电子产品、新能源汽车、医疗设备等领域具有广泛的应用前景。而超级电容器的性能很大程度上取决于电极材料的选择和设计。本文将重点介绍超级电容器电极材料的研究进展和应用前景。 目前，超级电容器的电极材料主要包括活性碳、金属氧化物和导电聚合物等。活性碳是一种常用的电极材料，具有较高的比表面积和良好的孔隙结构，能够提供丰富的储能空间。金属氧化物电极材料具有较高的比电容和良好的电化学稳定性，如氧化铁、氧化钼等。而导电聚合物电极材料具有良好的导电性和柔韧性，如聚咔唑、聚吡咯等。这些电极材料各具特点，可以根据超级电容器的具体应用需求进行选择和设计。 近年来，石墨烯作为一种新型碳基材料，受到了广泛关注。石墨烯具有高导电性、高比表面积和优良的机械性能，被认为是一种理想的超级电容器电极材料。研究表明，采用石墨烯作为超级电容器电极材料，可以显著提高电容器的能量密度和功率密度，同时具有良好的循环寿命和快速充放电特性。因此，石墨烯在超级电容器领域具有巨大的应用潜力。 除了石墨烯，碳纳米管也是一种备受关注的电极材料。碳纳米管具有优异的导电性和机械性能，能够有效提高超级电容器的电化学性能。研究表明，将碳纳米管与其他电极材料复合使用，可以显著提高超级电容器的性能，如提高比电容、降低内阻等。因此，碳纳米管在超级电容器电极材料中也具有重要的应用前景。 此外，金属有机骨架材料（MOFs）和碳化硅等新型材料也被广泛研究用于超级电容器电极材料。MOFs具有高孔隙度和可调控的结构，能够提供丰富的储能空间和优异的电化学性能。碳化硅具有优异的导电性和化学稳定性，能够有效提高超级电容器的性能。因此，这些新型材料在超级电容器领域也具有广阔的应用前景。
目录 1 超级电容器 (2) 1.1 超级电容器概述 (2) 1.2 超级电容器工作原理 (4) 1.3 超级电容器用电极材料 (6) 2 质子交换膜燃料电池 (8) 2.1 质子交换膜燃料电池工作原理 (8) 2.2 质子交换膜燃料电池结构 (9) 2.2.1 质子交换膜燃料电池膜电极组件结构 (10) 3 铅酸电池 (13) 3.1 铅酸电池的构造及工作原理 (13) 3.2 铅酸电池正极活性物质添加剂 (14) 3.3 铅酸电池负极活性物质添加剂 (16) 3.4 铅酸电池的板栅 (17) 4太阳能电池 (18) 4.1 太阳能电池材料 (18) 4.2 太阳能电池的原理 (19) 4.3 太阳能电池光伏组件基本结构 (23)
1 超级电容器 1.1 超级电容器概述 图1-1 超级电容器组成示意图 超级电容器，也被称为电化学电容器，是一种介于传统电容器与电池之间的一种储能器件。常见的超级电容器单体有叠片式、纽扣式、双极式以及卷绕式，其组成结构主要包括集流体、电极材料、电解液、隔膜及外壳材料，如图1-1所示。超级电容器的电极材料一般是由活性物质、导电剂和粘结剂三部分组成。活性材料是电荷存储的载体，是直接影响超级电容器储能性能的主要指标。导电剂可以加速电子的移动速率，从而降低超级电容器的内阻，实现快速、完全的充放电。常用的导电剂有乙炔黑、Super-P、炭黑以及石墨烯等。粘结剂又称为粘合剂，是用来粘结电极
材料与集流体之间的。常用的粘结剂主要有聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯等。超级电容器的集流体是承载电极材料并汇集电流，常见的集流体有不锈钢网、泡沫镍、铜箔、铝箔、钛网等。超级电容器的电解液分为固态电解质和液态电解液，液态电解液又分为水系电解液和非水系电解液，水系电解液的离子电导率较高、成本较低、安全性高，在空气中便可使用，水系电解液分为碱性、酸性和中性三种，常用的碱性电解液主要是不同浓度的KOH、NaOH、LiOH溶液等，酸性电解液主要为不同浓度的H2SO4溶液，中性电解液有Na2SO4、K2SO4、NaNO3等。非水系电解液指有机体系电解液，主要是由溶质和溶剂两部分组成，常用的溶剂是乙腈、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）等，常见的溶质有高氯酸锂（LiClO4）、四乙基四氟硼酸铵（季铵盐）等。无论是水系电解液还是有机系电解液，封装时，都不可避免的出现了漏液的问题，从而限制了超级电容器在某些领域的应用。与液态电解液相比，固态电解质由于无泄漏、电势窗口宽等特点而倍受关注。常见的超级电容器用固态电解质有凝胶电解质和固态聚合物电解质。凝胶电解质的电导率和有机电解液相差不大（10-3 S cm-1）。而大多数聚合物电解质在室温下的电导率较低，电极与电解质的界面接触较差。隔膜因具有离子导通，电子阻塞的特性，在电池内部能够吸附并储存电解液。根据电解液的浸润性，隔膜分为水系隔膜和有机系隔膜。
超级电容材料 2009-06-11 13:03:16| 分类：超级电容| 标签：|字号大中小订阅 超级电容器都可以分为四大部分：双电极、电解质、集流体和隔离物。当前，人们研究的热点是电极材料和电解质，电极材料的研究主要在四个方面：碳电极材料，金属氧化物及其水合物电极材料，导电聚合物电极材料，以及混合超级电容器。电解质需要具有很高的导电性和足够的电化学稳定性，以便超级电容器可以在尽可能高的电压下工作。现有的电解质材料主要由固体电解质、有机物电解质和水溶液电解质。 1 碳（炭）材料 主要研究的是具有高比表面积和内阻较小的多孔碳材料、（活化）碳纳米管以及对碳基材料进行改性的含碳的复合材料等（例如活性炭炭黑等复合材料）]。 2 纯碳（炭）材料 在种类繁多的碳（炭）材料中，常用的有活性炭粉末、活性炭纤维、炭黑、纳米碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶、玻璃碳、网络结构碳和某些有机物的炭化产物等。而当前研究前景较好的是碳纳米管和碳气凝胶。 3 碳复合材料 采取工业界新研制的BET表面积达1 654 m2/g，1～5 nm 孔径占75％的高性能活性炭作为超电容器电极材料，同时添加高比表面积、高导电性的纳米炭黑（BET 比表面积为1080 m2/g，电阻率为0.27 O·cm）作为导电剂，利用超声混合技术制备活性炭/炭黑复合电极，通过循环伏安和恒流充放电实验研究制备的活性炭/炭黑复合电极在水系电解液中的电容行为，实验结果表明复合电极显示出良好的电容行为和较好的功率特性，复合电极比容量达到102.4 F/g 2 金属氧化物以及水合物材料 2.1常见金属氧化物及水合物材料的介绍 一些金属氧化物以及水合物是超级电容器电极的很好材料，金属氧化物电极在超级电容器中产生的法拉第准电容比碳材料电极表面的双电层电容要大许多。因为在氧化物电极上发生快速可逆的电极反应，而且该电极反应能深入到电极内部，因此能量存储于三维空间中，提高了能量密度。 Ru的氧化物以及水合物作为超级电容器电极材料的研究报道很多，而且性能也比较好，但是Ru属于贵金属，成本较高，并且有毒性，对环境有污染，不利于工业化大规模生产。因此，人们开始寻找其他廉价的金属材料来代替Ru。 氧化锰资源广泛，价格低廉，具有多种氧化价态，而且对环境无污染，在电池电极材料和氧化催化材料上已经广泛地得到应用。 除了氧化锰之外，氧化镍也是研究的重点。有研究者采用液相法合成了NiO电极，单电极比容量达到256F/g，双电极比容量也达65F/g，比能量和比功率分别达到40kJ/kg和 17W/kg。 氧化钴材料也是一种具有发展潜力的超级电容器电极材料。有人使用醇盐水解法制 2.2金属复合材料 金属复合电极材料目前研究的重点是找出合适的金属或氧化物来替代Ru，减少Ru的用量，降低成本，并提高电极材料的比电容。 程杰等[15]采用超薄型烧结复合镍钴电极(Co：Ni约1：4，厚度为0.31mm)为正极，用比电容达250F/g 的活性炭电极为负极，7mol/LKOH溶液为电解液组装成的超级电容器,恒流充放电效率高，倍率性能较好，自放电较小，比能量达到16Wh/kg，最大比功率达10kW/kg(以正、负电极质量之和为基准)。
碳材料在电池与超级电容器中的应用 随着科技的不断进步，电池和超级电容器作为储能设备在我们的日常生活中扮 演着至关重要的角色。而碳材料作为一种重要的电极材料，其在电池和超级电容器中的应用也越来越受到关注。本文将探讨碳材料在电池与超级电容器中的应用，并介绍其优势和挑战。 1. 电池中的碳材料应用 电池是一种将化学能转化为电能的装置，其核心是正负极电极。而碳材料作为 电极材料，具有很多独特的特性，使其成为电池中的理想选择。 首先，碳材料具有良好的导电性能。由于碳材料的导电性能优异，可以提供高 效的电子传输通道，从而提高电池的能量转化效率。 其次，碳材料具有较高的比表面积。碳材料的多孔结构和微观孔隙可以提供更 大的比表面积，增加电极与电解液之间的接触面积，从而提高电池的反应速率和能量密度。 此外，碳材料还具有良好的化学稳定性和循环寿命。电池在充放电过程中会发 生化学反应，而碳材料能够在这些反应中保持较好的稳定性，延长电池的使用寿命。 总之，碳材料在电池中的应用可以提高电池的能量转化效率、反应速率和循环 寿命，从而改善电池的性能。 2. 超级电容器中的碳材料应用 超级电容器，也称为电化学电容器，是一种能够快速储存和释放大量电能的装置。与传统电池相比，超级电容器具有更高的功率密度和循环寿命，因此在许多领域有广泛的应用。而碳材料作为超级电容器的电极材料，其特性使其成为理想的选择。
首先，碳材料具有高电导率和低电阻。这使得碳材料能够提供更快的电子传输速度，从而实现超级电容器的高功率输出。 其次，碳材料具有良好的离子传输性能。超级电容器的储能是通过离子在电解液和电极之间的迁移实现的，而碳材料的多孔结构和大比表面积可以提供更多的离子通道，从而提高电容器的能量密度和循环寿命。 此外，碳材料还具有良好的化学稳定性和可控性。超级电容器在充放电过程中会发生化学反应，而碳材料能够在这些反应中保持较好的稳定性，同时也可以通过调控碳材料的结构和组成来实现对超级电容器性能的优化。 综上所述，碳材料在超级电容器中的应用可以提高电容器的功率输出、能量密度和循环寿命，从而满足不同领域对高性能储能设备的需求。 然而，碳材料在电池和超级电容器中的应用也面临一些挑战。首先，碳材料的比能量密度相对较低，无法满足某些高能量密度需求的应用。其次，碳材料的制备成本较高，需要进一步降低成本以促进大规模应用。此外，碳材料的循环寿命和稳定性仍然需要改进，以满足长期稳定运行的要求。 总之，碳材料在电池与超级电容器中的应用具有广阔的前景。通过进一步研究和技术创新，相信碳材料在储能领域的应用将不断取得突破，为我们的生活带来更多便利和可持续发展的解决方案。
碳材料在超级电容器和锂离子电池中的应用进展综述 碳材料是一类重要的材料，在能源领域具有广泛的应用。其中，碳材料在超级电容器（Supercapacitor）和锂离子电池 （Lithium-ion Battery）中的应用颇受关注。本文将对碳材料 在超级电容器和锂离子电池中的应用进展进行综述。 超级电容器是一种能量存储装置，通过电化学方法存储和释放电能。与传统电池相比，超级电容器具有高功率密度、高循环寿命、快速充放电和广温性等优势。碳材料是超级电容器中常用的电极材料，其高比表面积、良好的电导率和化学稳定性使其成为理想的选择。 目前，碳材料在超级电容器中的应用主要包括活性炭、多孔碳材料、碳纳米管和石墨烯等。活性炭是一种常见的碳材料，由于其高比表面积和丰富的孔结构，具有良好的电容性能。然而，活性炭的低比电容和低能量密度限制了其进一步应用。为了提高电容性能，研究人员将活性炭与其他材料复合，例如金属氧化物、导电高分子和碳纳米材料等。这些复合材料结合了各种材料的优点，同时克服了它们的缺点，实现了优化的电容性能。 多孔碳材料具有高比表面积和丰富的孔结构，为电荷存储提供了更多的活动空间。研究人员通过调控碳材料的孔结构和孔径分布，进一步提高了超级电容器的电容性能。例如，通过纳米孔的控制合成具有大孔和小孔的多孔结构，可以实现高比容量和高能量密度的超级电容器。此外，研究人员还通过功能化处理和多孔碳与其他材料的复合来改善超级电容器的电化学性能。
碳纳米管是一种由碳原子形成的微纳米管状结构，具有优异的电导率和机械性能。碳纳米管在超级电容器中的应用包括单根碳纳米管、多壁碳纳米管和碳纳米管复合材料等。由于碳纳米管的高比表面积和导电性，单根碳纳米管可以作为电极材料，提供高电容性能。多壁碳纳米管由多个层状碳纳米管组成，具有更高的电导率和机械性能。同时，研究人员还将碳纳米管与其他材料复合，例如金属氧化物、导电高分子和石墨烯等，以提高超级电容器的电容性能。 石墨烯是一种由单层碳原子形成的二维材料，具有高导电性、高比表面积和良好的机械性能。石墨烯在超级电容器中的应用有望改善电容性能。研究人员通过构筑具有较高比表面积和电容性能的石墨烯电极，提高了超级电容器的能量存储密度和功率密度。此外，石墨烯与其他材料的复合也被广泛研究，以进一步提高超级电容器的电化学性能。 锂离子电池是一种常见的可充电能源装置，广泛用于电子设备和电动汽车等领域。碳材料在锂离子电池中的应用主要包括负极材料和导电添加剂材料。负极材料是锂离子电池中的关键组成部分，直接影响电池的循环寿命和容量性能。碳材料作为一种常用的负极材料，具有良好的电导率和稳定性，能够实现高容量和长循环寿命。石墨是一种传统的碳负极材料，由于其稳定性和良好的电导率，广泛应用于商业锂离子电池中。 此外，研究人员还将碳纳米材料引入锂离子电池，以进一步提高电池的容量。例如，碳纳米管和石墨烯等材料被用作锂离子电池负极材料的添加剂，提高了电池的电化学性能。碳纳米材
超级电容器材料 超级电容器是一种能够储存和释放大量电能的电子元件，它具有高能量密度、 高功率密度和长循环寿命等特点，因此在电力系统、汽车、电子设备等领域有着广泛的应用前景。而超级电容器的性能取决于其材料的特性，因此研究和开发高性能的超级电容器材料是当前的重要课题之一。 目前，常用的超级电容器材料主要包括活性碳、氧化物、聚合物和碳纳米管等。活性碳是一种常见的电极材料，具有高比表面积和良好的电导率，能够提供较大的电容量。氧化物材料如二氧化锰、氧化铁等具有较高的比电容和较好的循环寿命，适合用于超级电容器的正极材料。聚合物材料具有较高的柔韧性和可塑性，能够制备成薄膜状电极，适合用于柔性超级电容器的制备。而碳纳米管具有优异的导电性和机械性能，能够制备成复合材料，提高超级电容器的性能。 除了上述常见的超级电容器材料外，近年来也涌现出一些新型材料，如金属有 机骨架材料（MOF）、二维材料（如石墨烯）等，这些材料具有特殊的结构和性能，能够为超级电容器的发展带来新的机遇和挑战。MOF具有高孔隙度和可调控 的结构，能够提供更大的比表面积和更多的储能位，有望成为新型的电极材料。石墨烯具有优异的导电性和机械性能，可以制备成高性能的电极材料，同时也可以作为超级电容器的导电添加剂，提高电极材料的导电性能。 在超级电容器材料的研究和开发过程中，需要考虑材料的制备工艺、结构设计、性能表征等方面的问题。制备工艺的优化能够提高材料的成品率和性能稳定性，结构设计的合理性能够提高材料的储能效率和循环寿命，性能表征的准确性能够为材料的性能评价提供可靠的依据。 总的来说，超级电容器材料的研究和开发是一个综合性的课题，需要结合材料 科学、化学工程、电子工程等多个学科的知识和技术。随着新材料的涌现和制备工艺的进步，相信超级电容器在能源存储、汽车动力、可穿戴设备等领域的应用将会更加广泛和深入。
超级电容介质类型 超级电容介质类型 超级电容是一种高能量密度的电化学储能器件，其特点是具有高功率 密度、长寿命、快速充放电等优点。而超级电容的性能取决于其内部 电极材料和介质材料的选择。本文将介绍超级电容中常用的介质类型。 一、活性炭 活性炭是一种多孔性材料，具有大比表面积、良好的导电性和化学稳 定性等特点。在超级电容中，活性炭通常作为正极材料使用，它可以 提供大量的表面积来吸附离子，并且可以快速地释放储存的电荷。此外，活性炭还可以与其他材料组合使用，以提高超级电容的能量密度 和功率密度。 二、碳纳米管 碳纳米管是一种由碳原子组成的纤维状结构，在超级电容中也被广泛 应用。碳纳米管具有优异的导电性能和高比表面积，并且可以通过改 变其结构来调节其导电性能和孔隙结构。因此，在超级电容中使用碳 纳米管作为电极材料可以提高其储能效率和循环寿命。
三、金属氧化物 金属氧化物是一种由金属离子和氧离子组成的化合物，具有良好的电学性能和化学稳定性。在超级电容中，金属氧化物通常作为负极材料使用，它可以提供大量的离子储存空间，并且可以通过调节其结构来提高超级电容的储能密度和功率密度。 四、聚合物 聚合物是一种由单体分子经过聚合反应形成的高分子材料，具有良好的可塑性和化学稳定性。在超级电容中，聚合物通常作为介质材料使用，它可以提供大量的孔隙结构来吸附离子，并且可以通过改变其结构来调节其孔隙大小和分布。此外，聚合物还可以与其他材料组合使用，以提高超级电容的储能效率和循环寿命。 五、离子液体 离子液体是一种由阳离子和阴离子组成的液态材料，在超级电容中也被广泛应用。离子液体具有优异的导电性能和化学稳定性，并且可以通过改变其结构来调节其导电性能和溶解度。因此，在超级电容中使用离子液体作为介质材料可以提高其储能效率和循环寿命。
科普▏锂离子电容器与锂离子电池、超级 电容器三者的区别 锂离子电容器作为一种新型的储能器件，具有功率密度高、静电容量高和循环寿命比较长的优点，有望在新能源汽车、太阳能、风能等领域得到广泛的应用。其工作原理与锂离子电池、超级电容器有所不同。1、锂离子电池的工作原理锂离子电池是继镉镍、氢镍电池后发展最快的二次电池。锂离子电池的正负极活性物质均为能够可逆地嵌入-脱出锂的化合物，其中至少有一种电极材料在组装前处于嵌锂状态，如过渡金属氧化物LiCoO2、LiNiO2及LiMn2O4等作为正极，选用各种碳材料、金属氧化物或合金等作为负极材料。锂离子电池的工作原理如图１所示，以石墨为负极、LiCoO2为正极。充电时，锂离子从正极材料中脱出，在电化学势梯度的驱使下经过电解液向负极迁移，电荷平衡要求等量的电子在外电路下从正极流向负极，到达负极后得到电子的锂离子再嵌入到负极材料晶格中；放电时则以相反过程进行，即锂离子离开负极晶格，嵌入正极重新形成LiCoO2。充放电过程反应式为：正极反应：LiCoO2 ⇌ Li１－ｘCoO2＋ｘe＋ｘLi＋负极反应：ｘLi＋＋ｘe＋ｎC ⇌ LiｘCｎ电池反应：LiCoO2 ＋ｎC ⇌ Li１－ｘCoO2＋LiｘCｎ锂离子电池的工作原理除了“氧化-还原”以外，还基于电化学嵌入-脱出反应，即锂离子电池在充放电过程中，锂以离子形式（Li ＋）作为能量交换的载体，通过电解液，利用锂离子的嵌入和脱出，在正负极之间摇摆，达到能量交换的目的。与其他电池相比，锂离子电池具有能量密度高、平均输出电压高、充电效率高、自放电效率低、安全性能好、循环和使用寿命长等优点。2、超级电容器的工作原理超级电容器一般主要由电极、电解液、集电体和隔膜等组成，其工作原理如图２所示。充电时，电子通过外电源从正极传到负极，使正极和负极分别带正电和负电，同时电解质溶液本体中的正负离子分离并移动到电极表面与电极表面的电荷层对峙，形成双电层；放电时，电子通过负载由负极流到正极，正负离子则从电极表面释放并返回电解质溶液本体，同时双电层消失。由此可见双电层电容器利用电极和电解质界面的双电层来存储电荷，充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应，故其具有性能稳定、充放电时间短、循环寿命长、功率密度大、高低温性能良好等优点。3、锂离子电容器的工作原理富士重工的Hiromoto T等提出了锂离子电容器的工作原理，如图３所示。正极材料是具有双电层储能的活性炭材料，负极材料是具有锂离子脱嵌功能的插层炭类材料，电解液为锂盐电解液。电池在充电时，锂离子脱离正极材料的表面，经过电解液和隔膜后插入到负极材料的晶格中；放电时，锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解液返回到正极材料的表面，与正极的电荷形成双电层。嵌锂后的负极电位低，具有使用电压高、能量密度和功率密度介于锂离子电池和超级电容器之间的特点。4、锂离子电容器相比锂离子电池和超级电容器所具有的优势（1）容量、电压、自放电的比较锂离子电容器的能量密度小于锂离子电池，但输出密度高；单体体积的能量密度为10~15Wh/L，较双电层电容器的2~8Wh/L的容量大得多，是后者的二倍。在电压方面，锂离子电容器的最高电压可达到4V，与锂离子电池相近，而比双电层电容器高出许多，同时在自放电方面比二者都小。（2）安全性锂离子电池的正极由于采用锂氧化物，不但含有大量的锂可形成锂枝晶而刺穿隔膜，也含有氧这种重要的起火元素。电池一旦短路就可发展为整体的热分解，与电解液反应可引起燃烧。而锂离子电容器的正极是活性碳，即使内部短路会与负极发生反应，但不会与电解液反应，理论上，会比锂电池安全得多。（3）寿命长锂离子电池为了实现长寿命，对其充电和放电深度有一定的范围限制，这样就减少了实质上可以利用的容量，双电层电容器的充放电原理则是单纯以吸附或脱却电解液中的离子而具有长寿
超级电容器是20世纪60年代发展起来的一种新型储能器件，并于80年代逐渐走向市场。自从1957 年美国人Becker申报的第一项超级电容器专利以来，超级电容器的发展就不断推陈出新，直到1983 年，日本NEC公司率先将超级电容器推向商业化市场，使得超级电容器引起人们的广泛兴趣，研究开发热潮席卷全球，不但技术水平日新月异，而且应用范围也不断扩大。 一、超级电容器的原理 超级电容也称电化学电容，与传统静电电容器不同，主要表现在储存能量的多少上。作为能量的储存或输出装置，其储能的多少表现为电容量的大小。根据超级电容器储能的机理，其原理可分为： 1.在电极P 溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列所产生的双电层电容器。 双电层理论由19 世纪末H elm h otz 等提出。关于双电层的代表理论和模型有好几种，其中以H elm h otz 模型最为简单且能够充分说明双电层电容器的工作原理。该模型认为金属表面上的静电荷将从溶液中吸收部分不规则的分配离子，使它们在电极P 溶液界面的溶液一侧，离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。于是，在电极上和溶液中就形成了两个电荷层，这就是我们通常所讲的双电层。双电层有储存电能量的作用，电容器的容量可以利用以下公式来计算： 式中，E为电容器的储能大小；C为电容器的电容量；V 为电容器的工作电压。由此可见，双电层电容器的容量与电极电势和材料本身的属性有关。通常为了形成稳定的双电层，一般采用导电性能良好的极化电极。 2.在电极表面或体相中的二维与准二维空间，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附、脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的法拉第准电容器。 在电活性物质中，随着存在于法拉第电荷传递化学变化的电化学过程的进行，极化电极上发生欠电位沉积或发生氧化还原反应，充放电行为类似于电容器，而不同于二次电池，不同之处为： （1）极化电极上的电压与电量几乎呈线性关系； （2）当电压与时间成线性关系d V/d t=K时，电容器的充放电电流为一恒定值I=Cd V/d t=CK.此过程为动力学可逆过程，与二次电池不同但与静电类似。法拉第电容和双电层电容的区别在于：双电层电容在充电过程中需要消耗电解液，而法拉第电容在整个充放电过程中电解液的浓度保持相对稳定。