超級電容器的電極材料及應用

羅玉馨　董小鳳　羅夢琪　譚亞梅　卓春蕊　楊光敏

【摘 要】本文主要從超級電容的電學性能、元件的結構和原理、電極材料等多個方面討論超級電容的儲能機理。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構構造和其儲能機理。還探討了電極材料對于超級電容器的儲存電量的影響。本文尤為重要的介紹了碳材料，金屬氧化物，導電聚合物等三種材料選取對于超級電容器性能的影響。最后討論一下超級電容器目前的最新發展和實際應用情況。

【關鍵詞】超級電容器；雙電層電容器；贗電容電容器；電極材料；應用

1 超級電容器的研究背景及意義

超級電容器，又叫電化學電容器。與傳統意義上的電容器有著不同的儲能機理，該電容器依靠被氧化還原的贗電容電荷與雙電層來儲存電能。作為介于傳統電容器與電池之間的一種新型電源，超級電容器具備著很多的優點。例如，能長時間循環使用，放電時間短，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點。所以，超級電容器被廣泛的應用于工業控制，城市公交系統，鐵路樞紐，航空航天等大型設施建設中。尤其在國防科工，通信航天等領域中，有著巨大的市場潛力和應用價值。

從十九世紀70年代至今，超級電容器的發展歷經了很多重要的歷程：上世紀五十年代末，有科學家提議把由金屬片構成的雙層電化學電容器替換成由多空碳材料構成的電容器，并得到了實踐的證明，換句話說，此時電化學電容器得到了飛速的進步；世界上第一個商用超級電容器于1971年問世，這標志著超級電容器已經開始進入市場化運作階段；二十世紀八十年代，由于引進了贗電容電極材料，超級電容器的能量密度得到了大幅度提升，達到了從未達到過的法拉級別，至此，所謂的電化學電容器才被冠以真正意義上的超級電容器；九十年代，超級電容器的發展前景被西方發達國家看重，他們紛紛提出了為該電容器服務的重大戰略。“短，中，長”計劃由美國提出，希望通過對超級電容器的研究，能夠給予F22戰機更為先進的電磁彈射裝置，而歐盟國家聯合提出了超級電容器汽車項目。不過可悲的是，現在最大規模的超級電容器汽車即特斯拉公司卻在美國硅谷中運行。不甘于落后的日本列出了“新陽光計劃”旨在加速超級電容器的研究，來帶動一系列的崗位以及就業問題。到了二十一世紀，我國對于超級電容器的儲能機理有了新的研究方向，現已成為超級電容器輸出強國。

2 碳材料在儲能電極材料的中的應用

眾所周知，儲能材料決定著超級電容器的功率和能量密度。所以，對于儲能材料的研究就成為了對超級電容器研究的重中之重。在對于混合型電容器的研究，科學家們發現了用納米碳材料作為電極能得到更加明顯的儲能效果。這種電容器是由半個雙電層的碳電極與半個含有無機化合物和聚合物構成的電極，與傳統的電極有著明顯的不同，這種構造能夠明顯的提升存儲電能的效率，加長循環時間，目前，此類電容器是超級電容器的研究熱點，希望在不久的將來，能夠投入到大規模的生產中，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，其巨大的儲能效率已經贏得了眾多科學家的青睞，并且石墨烯有著很多材料所不能比擬的儲能優點。因此石墨烯作為電極是很好的選擇。

3 超級電容器的電極材料

制作超級電容器的電極材料在大體上可以分為碳材料、導電聚合物、金屬氧化物這三類。因為電極的優劣會直接影響到電容器的性能，它是超級電容器的重要依托。所以，優質又價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于超級電容器的性能的影響。

3.1 碳材料

對于超級電容器的電極的材料選取時間來看，碳材料可以說是被最早應用上的。因為其價格低廉，性能優異，所以被看重。從碳材料被應用，一直到現在，大約歷經了六十多年的時間。期間的發展過程，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，表面密度等對電容量的影響也非常的大。而帶的官能團不同，也就意味著儲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，至今，科學家們已經證實了有以下幾種碳材料可以應用于超級電容器的電極材料。

3.1.1 活性炭

之所以選擇活性炭材料作為超級電容器的電極材料，是因為活性炭具有較高的電導率。我們知道，作為活性炭材料，電導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，所以它會有很高的電導率。

3.1.2 碳納米管

由于碳納米管具有非常好的導電性，結晶度高，比表面積大等優點，所以，將碳納米管作為超級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，所以對于電荷的吸附能力是非常強的，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。據統計，增加了比表面積的碳納米管在吸收大量的官能團之后，要比活性炭吸附的電荷量多30%左右。并且重復循環次數也會顯著提升。

3.2 金屬氧化物

上世紀九十年代，科學家們通過大量的實驗現象表明，一些金屬的氧化物也具有很強的氧化性，可以用來作為超級電容器的電極材料。比如說用電化學沉積法制備的MnO2電極材料，比用導電聚合物作為電極材料的電容儲備量竟然能高出40%以上。而且經過充放電等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最大的優點，耗損很少。正如雙層電容器的工作原理那樣，它的導電原理是通過電極上的導電聚合物的氧化還原來儲存能量的。發生氧化還原反應之后，能在聚合物表面上形成大量的N型和P型摻雜，使其儲存了高密度的電荷，所以會產生一定規模的電容。

3.3 導電聚合物

正如贗電容器的工作原理那樣，它的導電原理是通過電極上的導電聚合物的氧化還原來儲存能量的。發生氧化還原反應之后，能在聚合物表面上形成大量的N型和P型摻雜，使其儲存了高密度的電荷，所以會產生一定規模的電容。現在的導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，對陰陽離子的吸附能力要強一些，所以第三種混合摻雜型會使得電容器儲存電能的能力大大增強。雖然它的儲存電能的能力很強，并且溫度范圍寬，但是其造價成本很高，做成的品種和類型也遠不如活性炭材料做成的種類多。

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[責任編輯：張濤]