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导电高分子材料在超级电容器上的应用摘要导电高分子是超级电容器一类重要的电极材料, 其电容主要来自于法拉第准电容。
采用不同掺杂方式的导电性高分子( n 型或p 型) 作为电极材料使相应的超级电容器分为3 种基本类型, 这 3 种类型的超级电容器各具有不同的导电结构及特性。
阐述了超级电容器导电高分子的工作原理和分类，介绍了导电高分子超级电容器的研究现状和优缺点。
关键词超级电容器导电高分子电极材料前言超级电容器是一种性能介于电池与传统电容器之间的新型的储能器件, 具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长等优点,有着广阔的应用前景[ 1, 2], 如便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源及应急后备电源等。
特别是在电动汽车上, 超级电容器与电池联合分别提供高功率和高能量, 既减小了电源的体积又延长了电池寿命[3, 4] 。
导电高分子是一类重要的超级电容器电极材料, 其电容主要来自于法拉第准电容。
目前应用于超级电容器的导电高分子主要有聚吡咯( polypyrrole) 、聚苯胺( polyan2iline) 、聚噻吩( polyt hiophene) 等。
导电高分子超级电容器电极的优点是, 可通过设计高分子的结构, 优选高分子的匹配性, 来提高电容器的整体性能。
1 超级电容器导电高分子电极的工作原理导电高分子材料由于缺乏有效的长程有序, 其内部自由电荷的运动受到限制, 因而大多数导电高分子的导电性较差, 但在导电高分子材料处于掺杂状态下时, 其导电性显著提高, 电活性增强。
虽然高分子材料的导电性对其应用产生了一些限制, 但在其应用于超级电容器的电极材料时, 由于材料表面和内部分布着大量的可充满电解液的微孔, 并且能形成网络式立体结构,电极内电子、离子的迁移可通过与电解液内离子的交换完成, 因此作为超级电容器电极材料的导电高分子无需很高的导电性。
以导电高分子为电极的超级电容器, 其电容一部分来自电极/ 溶液界面的双电层, 更主要的部分来自电极在充放电过程中的氧化、还原反应。
高分子片式钽电容器的应用问题分析传统的片式钽电容器阴极为电子电导型的二氧化锰，由于二氧化锰是一种半导体，因此，此类片式钽电容器的阻抗较高。
由于电容器阻抗ESR[也叫等效串联电阻]和电容器的容量CR及测试或使用频率有如下数学关系；ESR=Tgδ/2πfC R式中；ESR 为等效串联电阻，单位为欧姆。
Tgδ为产品损耗。
单位为%π为3.14159265f为测试频率.单位是H ZC R为该只电容器的额定容量因此,当该只电容器的本身ESR较大时,电容器可以工作的滤波频率范围就受到严格限制.因为该只电容器的谐振频率f0将较低.因此该电容器可以应用的频率范围就较低.见下式;电容器的谐振频率与电容器各参数间的数学关系如下;f0=1/2πRC式中; f0为该只阻抗和容量一定的电容器的谐振点.单位为H Zπ为3.14159265C为该只电容器的实际测试容量R为等效串联电阻，单位为欧姆任何一只电容器的各参数间都有上述的数学关系,因此,不同种类的电容器适合于不同滤波频率的电路.当电容器的参数与电路参数不匹配时,该电容器会失效或滤波效果不佳.电子技术的进步来源于工作频率的不断增加,这样,任何一种电子产品的功能才能更强大,在一定的时间内能够处理的信号的速度才能更快.因此,整机技术的进步决定了电容器的可适用工作频率范围也必须扩大,特别是滤波电路里使用的片式钽电容器和其它种类的电容器,其工作频率范围决定了其适应的电路类型甚至市场空间.为了使片式钽电容器能够使用在更高频率的滤波电路里信号失真度更小,现在的片式钽电容器的阴极改为一种能够导电的高分子材料-聚噻吩. 聚噻吩是一种新型导电聚合物,其高温稳定性优良,电阻率接近普通金属,由于片式钽电容器的阻抗有很大一部分来自于阴极材料的自有阻抗,因此,使用高导电率聚噻吩作阴极的片式钽电容器的自有高频阻抗ESR可以大幅度地降低数倍甚至一个数量级.这样,使用高分子作阴极的片式钽电容器就可以使用在工作频率更高的滤波电路.由于聚噻吩属于典型的导电有机物,因此,其具有的有机物物理特征又使片式钽电容器的基本性能发生了很多变化;1.可以使用到工作频率更高的滤波电路.2.由于高分子材料呈软态,因此,当电路中瞬间产生的电脉冲或电压及电流浪涌时,压电效应导致的介质层晶体位移不会与阴极产生突然的挤压效应而破裂,因此,使用在此类滤波电路中,高分子片式钽电容器不需要大幅度降额;低压产品只需要降额10%,高压产品只需要降额20%就可以在此类电路中获得更高的可靠性.3.在出现意外的击穿现象时,高分子产品不会象二氧化锰阴极的片式钽电容器那样会迅速爆炸甚至燃烧,其安全性较佳.但是,高分子产品短路时不爆炸燃烧的特性同时也会带来其它问题,当短路发生时,它不会像普通片式电容器一样迅速先短路马上又开路,而是一直处于短路状态,必须长时间存在更大的多的电流才能烧毁.因此,如果发生失效问题,必须迅速拆除该只产品才能使电路恢复正常,否则,只要电路处于有电状态,电路一直会处于短路状态而不能重新启动.高分子片式钽电容器的开发主要是为了使其能够使用在工作频率更高的滤波电路,当使用到大功率的储能充放电电路里时,必须充分考虑到其一旦短路不能够迅速断开的固有缺陷.同时,必须考虑到不同电路类型对电容器基本性能的不同要求.使用在大功率充放电电路里的电容器必须满足如下要求;1. . 该电容器必须具有尽可能低的直流漏电流;钽电容器的漏电流和实际耐压及其绝缘电阻之间存在如下数学关系;I=UR/R上式是欧姆定律的数学表达式,但是,对于钽电容器, I表示的是该产品的实际漏电流而不是导体中通过的电流,UR是该产品的实际耐压而不是电路中实际施加的电压,R是该产品的实际绝缘电阻而不是该产品的电阻. 这些实际内容上的区别非常重要.从上式中,我们可以推导出这样的规律;当漏电流偏大时,产品的实际绝缘电阻就会下降,同时,该产品的实际耐压也会下降.同样的道理,如果实际漏电流较小的产品,其绝缘电阻也将较高,其实际耐压也会更高. 此规律在高温时对钽电容器的可靠性意义重大; 当高温时该产品的实际漏电流较大时,其实际耐压就会大幅度下降,因此,高温时钽电容器的失效率就高得多. 因此,对钽电容器的可靠性影响最大的参数就是该产品的漏电流大小,特别是高温时该产品的漏电流变化率高低可以直接成为该产品可靠性高低的最主要的判定参数.在使用电压较高时,片式钽电容器的漏电流偏大的产品在进行频繁的大功率放电时会出现爆炸失效现象.作为T/R组件中的瞬时电源,为了保证电磁波发射的功率强度足够[可以探测的距离和强度成正比],施加到电容器上和电容器放电时的功率均较大,此时,如果漏电流偏大,非常容易导致击穿瞬间发生,从而造成该T/R组件功能失效.制约片式钽电容器的漏电流大小的条件主要是电容器生产厂家的工艺技术水平,在此方面,各家片式钽电容器生产商的实际生产水平相差巨大.但由于高分子片式钽电容器的标准对漏电流的要求较宽,因此,从简单的测试看,好象那家公司都能够生产出合乎标准的高分子片式钽电容器,而实际却不竟然,各家生产出的相同规格的高分子片式钽电容器的实际漏电流水平和可靠性水平相差非常大.如果使用厂家只是通过形式化的简单测试,根本发现不了其中的差别.因此,不断的失效问题就一直在困扰着电容器使用者.钽电容器在实际制造过程中，由于使用的原材料性能差异和工艺水平不同以及装备性能的不同，批量生产出的产品的性能尽管都符合标准规定，但实际上不同生产厂家生产的产品的性能存在明显的质量差异。
导电高分子材料在超级电容器领域中的应用及性能优化方法探讨导电高分子材料作为一种具有导电性能的聚合物材料，具有很高的研究和应用价值。
在超级电容器领域中，导电高分子材料的应用主要体现在超级电容器的电极材料方面。
本文将从超级电容器的背景、导电高分子材料的性能优势、导电高分子材料在超级电容器中的应用以及导电高分子材料在超级电容器中性能优化的方法等方面进行探讨，并提出一些未来的发展方向。
超级电容器是一种电能存储器件，具有高能量密度、高功率密度、长寿命和环保等特点。
它可以作为电储能装置中的一种重要组成部分，用于储存和释放电能。
与传统的化学电池相比，超级电容器具有快速充放电能力、长寿命和较高的功率密度，但能量密度相对较低。
因此，超级电容器的能量密度提升成为研究的重要方向之一。
导电高分子材料具有良好的电导性和介电性能，是超级电容器的理想电极材料。
它们可以通过调控材料的化学结构和纳米结构，优化电极的电容性能。
首先，导电高分子材料具有较高的电导率，可以提高电极的导电性能和充放电速度。
其次，导电高分子材料具有较高的比表面积，可以提供更大的电极与电解质接触面积，增加电容储存容量。
此外，导电高分子材料还具有良好的电化学稳定性和循环稳定性，可以提高超级电容器的循环寿命。
导电高分子材料在超级电容器中的应用主要分为两类：一类是纳米纤维状导电高分子材料制备的纳米电极材料，另一类是通过表面改性制备的纳米电极材料。
首先，纳米纤维状导电高分子材料制备的电极材料具有较高的比表面积和导电性能。
通过电纺丝、溶液旋涂等方法可以制备具有多级孔隙结构的纳米电极材料。
这种结构可以增大电极与电解质之间的界面，提供更多的电极活性位点，增加了储存电荷的容量。
同时，纳米纤维状电极材料还具有较好的电子、离子传导性能，提高了电极的充放电速度。
研究表明，纳米纤维状电极材料在超级电容器中具有较高的电容量和循环寿命。
其次，通过导电高分子材料的表面改性可以制备具有较好电极性能的纳米材料。
导电高分子钽电解电容器的研究进展易金锋（株洲宏达电子股份有限公司，湖南株洲412000）摘要：电容器，是一种储存电荷的元件，在电子设备中电容器属于应用非常广泛的一种电子元件。
近年来，在电子产品行业逐步发展的背景下，使得电容器的应用前景显得更加明朗。
对于其中的钽电解电容器来说，从目前市场的应用情况来看，其小型化、片式化以及高性能等特点非常明显，但是阴极材料对钽电解电容器的电性能如电容量，损耗角正切等产生了较为严重的影响。
所以，便有必要对新型阴极材料进行改进及开发，从而使钽电解电容器的性能得到有效提升。
本课题通过文献综述的方式，重点对导电高分子钽电解电容器的研究进展进行分析，以期对导电高分子钽电解电容器具备更为深入的了解，从而带动电容器行业的稳步发展。
关键词：导电高分子；钽电解电容器；研究进展作者简介：易金锋（1983-），男，湖南株洲人，大学本科，工程师，主要从事电容器技术研发工作。
Metallurgy and materials钽电解电容器会使用到阴极材料，但是阴极材料的使用会对电容器产生较多的负面影响，例如：影响电容量的大小，影响损耗角正切值的大小，使电容器的漏电流及温度特性受到严重影响，进一步使电容器的使用寿命缩短等。
从钽电解电容器的应用性能提升角度考虑。
有必要对新型阴极材料进行改进及开发。
为了更进一步了解导电高分子钽电解电容器，鉴于此本课题围绕“导电高分子钽电解电容器”进行分析研究具备一定的价值意义。
1传统钽电解电容器及导电高分子钽电解电容器概述（1）传统钽电解电容器。
传统的钽电解电容器阴极材料主要为二氧化锰，而此类阴极材料容易存在一些较为明显的问题，总结起来包括：①二氧化锰的电导率偏低，约为0.1s/cm ，从而导致钽电容器在高频性能上明显偏差。
②在高温热分解的作用下，易导致钽阳极体的介质氧化膜遭遇破损，进而使电容器的质量受到严重影响，同时使工作电压难以有效提升，最终使电压和工作电压间的差距越来越大。
电解电容器的原理与应用1. 电解电容器的基本原理电解电容器是一种用于存储和释放电荷的电子元件，它由两个电极之间的电介质组成。
其基本工作原理是利用电介质中存在的电解质将电荷存储在电容器的电极上。
当电解电容器接通电源后，正极吸引负电荷，并将其嵌入电解质中，同时负极将正电荷吸引并嵌入电解质中。
这个过程导致电容器两极之间产生电势差，从而将电荷存储在电解介质中。
电解电容器的电解质是一种液态或固态的化学物质，可以通过在电解液中溶解化学物质或在一个固体电解质中加入液体来实现。
这些化学物质在电解质中离解成带电的离子，从而形成可导电的介质，并为电荷的存储提供途径。
2. 电解电容器的应用2.1 电子电路中的耦合和绕组在电子电路中，电解电容器常用于实现信号的耦合和绕组。
电解电容器通过将一个电路中的交流信号耦合到另一个电路中，实现信号的传递和放大。
其原理是通过电解电容器的电解质将信号耦合到另一个电容器中，并隔离直流信号。
这在放大器、滤波器和调谐电路等电子设备中广泛应用。
2.2 存储和供电电解电容器还可以用于存储和供应电能。
由于电解电容器可以存储电荷，并在需要时释放电荷，它常用于储能装置和备用电源中。
当主电源故障时，电解电容器可以提供短时间的备用电源，并确保设备正常运行。
2.3 高压应用电解电容器还可以用于高压应用，因为它具有较高的工作电压。
这使得电解电容器可以在需要较高电压的场合下使用，例如在高压电源、脉冲电源和放电电路中。
2.4 焊接和电解析铝生产由于电解电容器能够提供较高的电流，它也常用于电弧焊接和电解析铝生产。
在电弧焊接中，电解电容器可以为焊接电弧提供稳定的电源。
在电解析铝生产中，电解电容器则用于贮存和释放所需的大电流。
3. 电解电容器的优缺点3.1 优点•电解电容器具有较高的工作电压，可以适应高压应用。
•电解电容器具有较大的电容量，可以存储大量的电荷。
•电解电容器具有较低的内阻，具有较高的能量存储效率。
•电解电容器可以迅速充电和放电，具有较高的电流处理能力。
有机半导体和高分子有机半导体固体电解电容器的特性以及优点电容器在三个基本无源元件[L(电感)C(电容)R(电阻)]中产量最大,是任何电子线路不可缺少的充电放电、通交隔直的元件。
电容器的种类因电介质的不同而各有所长,根据应用目的不同而被广泛用于滤波、定时、旁路、耦合、改善马达启动功率等方面。
电容器的基本构造如图1所示（图1）电容器的容量公式C=Kεs/d式中C=容量[F],K=真空时的介电系数(8.855×10-12),ε=介电系数,s=电介质的面积[㎡],d=电介质的厚度。
因此,使用的电介质厚度越薄、面积越大和介电系数越大,则电容器的容量越大。
电容器的分类主要有电解电容器、陶瓷电容器、聚酯电容器等。
下面着重介绍电解电容器中的有机半导体和高分子有机半导体(导电性高分子)固体电解电容器。
有机半导体铝固体电解电容器导电性高分子铝固体电解电容器(图2)铝电解电容器的电解质以往采用电解液,有机半导体和导电性高分子铝固体电解电容器(OS-CON)采用了比以往的电解液导电性更高的有机半导体(TCNQ复合盐)或导电性高分子材料,因而它的电解质的导电性高,导电性受温度的影响小。
OS-CON通过使用高导电性卷绕芯子,使电解质层更薄,大幅度地降低了等效串联电阻(ESR)。
OS-CON虽然是电解电容器,却达到了聚酯电容器那样的卓越频率特性。
OS-CON的构造与铝电解电容器相似,正负极分别采用铝箔,中间加隔纸卷绕而成,与铝电解电容器最大的不同在于用有机半导体或导电性高分子电解质取代电解液,封口采用环氧树脂或者橡胶垫。
OS-CON的额定电压2V-35V,容量1μF -2700μF,ESR最低达7mΩ,分插装型和贴装型。
而且,导电性高分子材料较有机半导体的耐热性更好。
（图3）OS-CON具有良好的电气特性,主要表现为; 优越的频率特性（图3）OS-CON、铝电解电容器、钽电解电容器的阻抗特性比较,OS-CON的阻抗-频率曲线近乎理想值。
高分子材料在超级电容器中的应用随着科技的快速发展，能源储存技术成为了关注的热点。
然而，传统的储能设备，如镍氢电池、锂离子电池等，虽然能储存大量的能量，但是存在着能量密度低、充电速度慢、寿命短等缺点。
而超级电容器则因其快速充放电、长实用寿命、高功率密度等特性，成为了未来储能技术的发展方向之一。
超级电容器是一种能量储存设备，其不同于传统电池，能够在短时间内快速地完成充放电过程。
超级电容器能提供高电流、高功率的输出，使其广泛应用于汽车、电动工具、照明设备、通讯系统等领域。
超级电容器的储能原理主要是通过静电吸附和电化学双重储存机制实现的。
静电吸附是指离子在电极表面的吸附，电化学储存是指在电极表面发生的氧化还原反应。
而超级电容器的性能则主要与其电极材料有关，其中，高分子材料作为一种新型电极材料，因其可用性高、成本低、自重轻等优点，成为超级电容器电极材料的候选之一。
下面就让我们来探讨一下高分子材料在超级电容器中的应用。
高分子材料在电极材料中的应用高分子材料主要有两种形态：一种是固态高分子电解质，另一种是高分子电极材料。
高分子电极材料，是以导电聚合物为基础，通过掺杂、降解、配合等方式来实现的。
与其他电极材料相比，高分子电极材料的优点在于具有较好的化学稳定性、机械韧性、高比容量机会往高分子材料中添加导电聚合物，使其成为一种高电容、高能量的电子材料，其在超级电容器中的应用不断得到扩展。
高分子材料缔造的“聚合储能器”随着新能源汽车的迅速发展，越来越多的厂商开始将超级电容器作为汽车动力电池组的组成部分。
在超级电容器中，高分子材料成为研究热点。
比如，美国的一家企业——Maxwell Technologies，研发出新一代的超级电容器，采用了原本用于笔记本电脑电池的半导体隔膜和新的高分子电极材料，使得容量和输出功率增加了50%。
这种超级电容器的储能功率可以快速的释放，是传统电池的100倍以上，充电时间只需数分钟。
同时，国内交通执法规定的限制却是十分棘手的。
导电高分子材料及其应用侯坤 10线缆332 1013433220（常州轻工职业技术学院常州 213164）【摘要】与传统导电材料相比较,导电高分子材料具有许多独特的性能。
本文简单介绍了近几年来导电高分子材料的研究进展及其在各个领域的应用。
【关键词】导电高分子研究进展应用自从1977年美国科学家黑格（A.J.Heeger）和麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）和日本科学家白川英树（H.Shirakawa）发现掺杂聚乙炔（Polyacetylene,PA）具有金属导电特性以来，有机高分子不能作为电解质的概念被彻底改变。
也因此诞生了一门新型的交叉学科-导电高分子。
这个新领域的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念,而且它的发现和发展为低维固体电子学,乃至分子电子学的建立和完善作出重要的贡献,进而为分子电子学的建立打下基础,而具有重要的科学意义。
所谓导电高分子是由具有共轭∏键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。
它完全不同于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料。
导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件, 以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。
因此, 导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。
经过近30多年的发展，导电高分子已取得了重要的研究进展。
一、导电高分子材料的研究进展按照材料结构和制备方法的不同可将导电高分子材料分为两大类 :一类是结构型(或本征型) 导电高分子材料,另一类是复合型导电高分子材料。
1.1 结构型导电高分子结构型导电高分子材料是指本身具有导电性或经掺杂后具有导电性的聚合物材料，也称作本征型导电高分子材料，是由具有共轭∏键或部分共轭∏键[1]的高分子经化学或电化学“掺杂”，使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料，如聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PAn)、聚乙炔(PA)等。
