超級電容器的分類

楊光敏

（長春師范大學物理學院，吉林 長春 130000）

1 引言

隨著人類對能源的需求量與日俱增、傳統能源的幾近匱乏和耗能設備的持續增加而日益加劇，其導致的直接后果是，一方面人們會對傳統的能源剝奪更為激烈，另一方面會對環境造成巨大的壓力。因此，急需一種解決上述問題的有效途徑，從而緩解人類對于能源的大量需求，這正是新能源材料逐步成為未來社會主流能源的內在動因和推動力量。新型環保節能設備，超級電容器在這一時代背景下應運而生，并在當今社會逐漸地占有一席之地。根據充放電機制的不同，電化學電容器可以分為以下幾類：

（1）雙電層電容器。這類材料通常采用高比表面積的碳材料作為電極使用，主要包括：活性炭、碳氈、碳氣凝膠、碳纖維以及目前較為熱門的碳納米管、碳納米片和石墨烯等[1-5]。這類材料是通過利用電極和電解質界面的雙電層來存儲電荷的。碳材料作為雙電層電容器的工作電極，主要利用了其較高的比表面積、優異的循環穩定性、寬的電位窗口、可用于有機電解質體系從而在更寬的溫度范圍內使用等優點。但是碳基雙電層電容器的不足也是很明顯的，相較于后文所介紹的贗電容電極而言，雙電層電容器往往存在著比電容普遍較低的弊端，一般小于500F/g（而贗電容材料的比電容數值往往都在500F/g以上），改進其不足的方式主要可以通過對碳材料表面進行活化以引入含氧官能團、提高碳材料的比表面積、與贗電容材料進行復合等方法。

（2）贗電容超級電容器。這類電容器的電極材料往往選用贗電容材料，它們是通過表面或近表面快速、近可逆的化學反應來實現電荷存儲的。而如果將贗電容進一步細化，可以分為二維反應過程中電化學活性分子的單分子或類單分子層在基體表面發生電吸附和脫附進而轉移電荷的“吸附贗電容”以及電活性物質通過氧化還原反應產生氧化態或者還原態來存儲能量的“氧化還原贗電容”兩種類型。贗電容材料主要有過渡金屬氧化物和氫氧化物[6-7]、導電聚合物兩種。過渡金屬氧化物和氫氧化物通過表面和/或內部的氧化還原反應來進行電荷轉移過程，進而存儲能量，而導電聚合物材料主要是利用其摻雜-去摻雜電荷過程來實現能量的存儲和釋放。贗電容電容器的優點是能夠通過提供較高的比電容，往往能夠達到1000F/g以上，同時可以通過制備手段的變化，形成多種形貌、結晶度、相結構的電極材料，從而得到具有不同電化學性能的電極材料。

（3）混合型超級電容器或稱非對稱型超級電容器。它們是指由形成雙層電容的碳負極與其它碳材料、金屬氧化物、金屬氫氧化物、導電聚合物或無機化合物等材料作為正極構成的超級電容器。目前水溶液電解質體系中，已有碳-氧化鎳混合電容器產品，同時正在發展有機電解質體系的碳-碳、碳-二氧化錳等混合型超級電容器[8]。

此外，根據所工作電解液的不同，超級電容器又可以分成液相和固相兩種。液相超級電容器又可以分為水系、有機系、熔融鹽以及離子液體等類型，水相體系主要采用的是水溶液作為溶劑，選用不同的酸、堿或者無機鹽作為電解質或者氧化還原反應物以實現其電極工作的，其優點在于許多高理論比容的贗電容電極材料都是通過該體系得以實現的，但是，水的分解電位（即發生析氫和析氧過程的電位）以內所能工作的電位窗口較窄，往往只在1V范圍內，因此限制了超級電容器能量密度的提高；而有機電解液或者離子液體，往往能將工作電位窗口提高到3V以上，在一定程度上滿足了超級電容器高能量密度的要求，但是能夠在該體系中工作的電極材料種類不如在水系中的多，一般主要有碳材料、二氧化錳、氧化釕等，而對于大部分的贗電容電極材料來說，由于在該電解液體系中不能提供其表面氧化還原反應所必須的反應離子，因為在很大程度上受到了局限和制約。

2 結論

超級電容器可分為雙電層電容器、贗電容超級電容器、混合型超級電容器或稱非對稱型超級電容器。根據所工作電解液的不同，超級電容器又可以分成液相和固相兩種。

［1］Sun Dongfei,Yan Xingbin,Lang Junwei.JOURNAL OF POWER SOURCES[J],2012,222,52-55.

［2］Zhou Zhengping,Wu Xiang-Fa.JOURNAL OF POWER SOURCES[J],2013,222,410-416.

［3］Li X.,Zhitomirsky,I..JOURNAL OF POWER SOURCES[J],2012,221,49-56.

［4］Fic Krzysztof.Frackowiak Elzbieta.Beguin,Francois.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY[J],2012,22(46)：24213-24223.

［5］Khanra Partha,Kuila Tapas,Bae Seon Hyeong.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY[J],2012,22(46)：24403-24410.

［6］Yan Tao,Li Zaijun,Li Ruiy.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY[J],2012,22(44)23587-23592.

［7］Wang Xu,Liu Wan Shuang,Lu Xuehong.JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY[J],2012,22(43)：23114-23119.

［8］WangXu,SumbojaAfriyanti,LinMengfang.NANOSCALE[J],.2012,4(22)：7266-7272.