楊光敏

（長春師范大學(xué)物理學(xué)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(tǒng)能源的幾近匱乏和耗能設(shè)備的持續(xù)增加而日益加劇，其導(dǎo)致的直接后果是，一方面人們會對傳統(tǒng)的能源剝奪更為激烈，另一方面會對環(huán)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(nèi)在動因和推動力量。新型環(huán)保節(jié)能設(shè)備，超級電容器在這一時(shí)代背景下應(yīng)運(yùn)而生，并在當(dāng)今社會逐漸地占有一席之地。根據(jù)充放電機(jī)制的不同，電化學(xué)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?xì)?、碳?xì)饽z、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(zhì)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(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性、寬的電位窗口、可用于有機(jī)電解質(zhì)體系從而在更寬的溫度范圍內(nèi)使用等優(yōu)點(diǎn)。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(shù)值往往都在500F/g以上），改進(jìn)其不足的方式主要可以通過對碳材料表面進(jìn)行活化以引入含氧官能團(tuán)、提高碳材料的比表面積、與贗電容材料進(jìn)行復(fù)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(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電荷存儲的。而如果將贗電容進(jìn)一步細(xì)化，可以分為二維反應(yīng)過程中電化學(xué)活性分子的單分子或類單分子層在基體表面發(fā)生電吸附和脫附進(jìn)而轉(zhuǎn)移電荷的“吸附贗電容”以及電活性物質(zhì)通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氧化態(tài)或者還原態(tài)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(dǎo)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(nèi)部的氧化還原反應(yīng)來進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移過程，進(jìn)而存儲能量，而導(dǎo)電聚合物材料主要是利用其摻雜-去摻雜電荷過程來實(shí)現(xiàn)能量的存儲和釋放。贗電容電容器的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過提供較高的比電容，往往能夠達(dá)到1000F/g以上，同時(shí)可以通過制備手段的變化，形成多種形貌、結(jié)晶度、相結(jié)構(gòu)的電極材料，從而得到具有不同電化學(xué)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(fù)極與其它碳材料、金屬氧化物、金屬氫氧化物、導(dǎo)電聚合物或無機(jī)化合物等材料作為正極構(gòu)成的超級電容器。目前水溶液電解質(zhì)體系中，已有碳-氧化鎳混合電容器產(chǎn)品，同時(shí)正在發(fā)展有機(jī)電解質(zhì)體系的碳-碳、碳-二氧化錳等混合型超級電容器[8]。

此外，根據(jù)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(jī)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(jī)鹽作為電解質(zhì)或者氧化還原反應(yīng)物以實(shí)現(xiàn)其電極工作的，其優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的，但是，水的分解電位（即發(fā)生析氫和析氧過程的電位）以內(nèi)所能工作的電位窗口較窄，往往只在1V范圍內(nèi)，因此限制了超級電容器能量密度的提高；而有機(jī)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(yīng)所必須的反應(yīng)離子，因?yàn)樵诤艽蟪潭壬鲜艿搅司窒藓椭萍s。

2 結(jié)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(jù)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。

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［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.