【《超级电容器的结构和分类概述》3100字】

超级电容器的结构和分类概述1.1超级电容器的发展背景随着化石能源越来越紧俏，能源短缺也越来越凸显，为了缓和能源危机和减少传统能源对环境的影响，世界各国正在寻找新的能源，如风能、太阳能和地热能，以取代传统能源。能源储存系统可分为物理储能系统和化学储能系统，物理储能系统主要是利用抽水、压缩空气或飞轮等方式对能量进行储存REF_Ref73732999\r\h[5]。物理储能虽然具有规模大、寿命长且环保等优势，但是由于地理条件和场地等条件限制了其应用。化学储能则主要是通过具有储能材料进行化学反应，将化学能转换为电能，化学储能系统主要有锂离子电池、铅酸电池等，超级电容器是新发展起来的一种储存化学能系统REF_Ref73733292\r\h[6]。相较于物理储能系统，化学储能系统具有通用性强、储能效率高且方便携带等优势，近年来越来越受到人们的喜爱。图1.2不同储能装置的Ragone图Figure1.2Ragonediagramofdifferentenergystoragedevices通过不同储能装置Ragone图分析发现，超级电容器不仅具有如电容器类似充电和放电均比较快的特点，也具有类似于电池的储存功能，而且相较于其他化学储能系统，超级电容器还具有功率更大、使用寿命更长的特点。超级电容器作为一种新型储能系统，在多种领域均得到了广泛的应用，如电子产品、新能源汽车、国防等领域起着不可替代的作用。1.2超级电容器的结构组成超级电容器主要由电极、电解液、隔膜和集流体四个部分组成REF_Ref73733841\r\h[7]。电极是影响超级电容器点性能的关键因素，而且电极的材料不同，具有的优势也不一样，当前最主要的电极材料有碳材料、导电聚合物以及金属氧化物材料三种REF_Ref73532702\r\h[8]。电解液也是构成超级电容器的主要部分，高电势下电解液分解电压一定程度上限制勒电容器的电压，最常用的三种电解液是离子液体、水和有机电解质。隔膜也是组成超级电容器的主要成分，其在超级电容器中的作用主要是防止短路的形成，隔膜材料必须满足电阻大、电导率高和厚度小的特点。一般而言，不同的电解液使用不同的隔膜材料，比如当电解液为水时，一般隔膜材料使用陶瓷或玻璃纤维。集流体也是组成超级电容器的重要元件，用于制作集流体的主要材料有泡沫镍、铜箔以及不锈钢等REF_Ref73734013\r\h[9]。用来衡量超级电容器性能的最主要的指标时电容的大小，即储存电荷的能力。超级电容器储存电荷就是依靠电解质和多孔电极材料之间形成的双层界面。相较于传统的静电电容器，超级电容器比表面积更大，另外电荷分离的距离也更小，使得超级电容器可容纳的电荷是静电电容器的数个数量级别。一般将超级电容器的电容C定义为REF_Ref73532789\r\h：C=ɛ定义中ɛr表示电解液的介电常数；ɛo表示真空的介电常数，另外A表示所用电极的比表面积；d则表示形成的双电层的实际厚度REF_Ref73734145\r\h[10]。图1.3对称型超级电容器结构示意图Fig.1.3Schematicdiagramofsymmetricalsupercapacitorstructure根据材料的不同超级电容器可分为对称型和非对称性；而按照电解液进行分类：有机系超级电容器电解液为有机物、水系超级电容器电解液为水；还可以按照储能机理将其分为双层超级电容器和法拉第超级电容器REF_Ref73734503\r\h[11]。1.3超级电容器的分类（1）双电层超级电容器双电层超级电容器的概念是在十九世纪末提出的，Helmholtz模型REF_Ref73734621\r\h[12]的超级双层电容器在其电极和电解液的界面之间产生了两个符号正好相反的电荷层，电荷层面对面、但是其二者的距离约为原子尺寸大小。随着Helmholtz模型的发展，人们对其进一步认识之后发现，在电解液中的离子并非图3（a）中的排列方式（静止但紧密），且很多问题该模型一时也无法解释。另有研究者REF_Ref73734675\r\h[13]对其进行了改进，并提出了类似于图3（b）的模型，他们认为由于热运动，使得电解液中的阴阳离子在电解液中进行无规则的热运动，使得阴阳离子因为运动而展现出连续分布状态，并且他们还将离子假定为电电荷，提出的双电层超级电容器高估了整个双电层电容值。后来，又有人将前两种模型结合起来提出了另一种模型，即Stern模型，如图3（c）。这种模型明确将电解液中的阴阳离子分散在两个区域，即一个在内部区域（或紧密层），另一个是扩散层。而且在内部区域，电解液中的离子是紧密的吸附在电极上，但是在扩散层，电解液中的阴阳离子则是处于连续分布状态，这种模型更好的解释了现实中遇见的多种问题REF_Ref73735109\r\h[14]。图1.4正极表面双电层模型Fig.1.4Two-layermodelofpositiveelectrodesurface可以将双电层电容视为处于两个区域的电容值的组合体。其中，紧密层中的电容定位CH、扩散层中的电容定位Cdiff，故整个双电层的电容值Cdl则可表示为REF_Ref73735184\r\h[15]1C影响双层电极电容值得因素也比较多，主要有：两个电极之间的电场强度、电解液种类、电极比表面积以及电极表明和阴阳离子的亲和力。因为用于制备超级电容器的电极材料通常是一类多孔材料，这种材料保证了较大的比表面积，但是也存在一个缺点，由于多孔，导致电解质中的阴阳离子在传输过程中受到了各种各样因素的影响，主要表现为曲折的传质路径，有限的多孔直径、电解液的电阻以及电解液对多孔的润湿效果。所以，多孔材料制备的双电层电容相较于平板电极更为复杂。碳元素是当前可用于制造双层电容器的唯一元素。因为大溶剂离子无法进入微孔内，所以由碳元素制成的电极材料中微孔不直接参与双层电容器的形成，正由于这个原因，研究者一致认为要想制备出大比电容的超级电容器，就必须使用微孔直径大于溶剂离子电极材料。但是当电解液是水系或有机系时，使用微孔直径为0.7nm至0.8nm的材料制备的电极材料也能获得较大的比电容。另外，当电极材料的微孔直径小于1nm时，虽然超级电容器的电容值会增加，但是其增加规则不明显，而且通过实验进一步发现，当碳电极材料的微孔和溶剂离子的粒径相同或非常接近时，产生的电容值最大。也有研究者发现，部分去溶剂的水和离子一旦进入到碳电极微孔，也可是的电容器的比电容值增大，这些研究都显示了，当溶剂离子粒径小于碳电极微孔时，都会在一定程度上增加超电电容器的电容值。因为碳材料制备的电极具有较好的导电性能，而且其电稳定性和开孔空隙度也较好。现在也已有多种不同碳材料制备的双层电容器电极，比如活性炭、碳纳米管、石墨烯等，尤其是近年发展起来的碳气凝胶，使得由碳元素制备的超级电容器越来越受到各国科研人员的青睐。虽然其发展前景非常光明，但是这些材料的储能机理一定程度上限制了其比电容值的大小，这也致使这类材料不能更好的在电容器领域得到更好的使用。故若想进一步提高超级电容器的性能，单纯通过纯碳材料是很难做到的，必须进一步探索新的研究方向。（2）法拉第超级电容器法拉第超级电容器在充电或放电过程中都会快速产生可逆的法拉第反应。因为在这个反应过程中，出现了电极的迁移，故属于化学性质的反应，从而导致法拉第超级电容器不能像双层电容器一样，依靠静止的电荷吸附在电极上产生电容，也正是由于在充电或放电过程产生了化学反应，法拉第超级电容器可提供的比电容更大，释放的能力密度也更大REF_Ref73735432\r\h[16]。当前制备法拉第超级电容器的材料主要有两种：即导电聚合物和过渡金属氧化物。因为过渡金属氧化物即包括了过渡金属元素的氧化物材料。当前最常用的过渡金属氧化物有：二氧化锰、四氧化三铁、和四氧化三钴REF_Ref73735593\r\h[17]。当前最常用的导电聚合物则有：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。由于相较于非法拉第反应过程，法拉第过程慢很多，所以法拉第超级电容器的功率密度通常比较低，而且相较于双层电容器，制备法拉第超级电容器所需要的电极材料通常也会表现出更差的机械稳定性和循环稳定性REF_Ref73804505\r\h[18]（3）混合型超级电容器混合型超级电容器所需要的电极材料需要将双电层超级电容器和法拉第超级电容器的电极材料结合起来。首先法拉第超级电容器能提供高密度的能量，而双电层超级电容器的电极材料则可提供高密度的功率，若将二者的优势产生协同作用后制备得到的混合型超