超级电容器电极材料及储能机理

罗玉馨，董小凤，罗梦琪，谭亚梅，卓春蕊，杨光敏*

（长春师范大学物理学院，吉林长春 130000）

超级电容器电极材料及储能机理

罗玉馨，董小凤，罗梦琪，谭亚梅，卓春蕊，杨光敏*

（长春师范大学物理学院，吉林长春 130000）

为了减少对化石能源的依赖，发展电动车辆，但由于其能源储存不方便性，制约了它们的发展。由此为了制备廉价高性能的电极材料，提高储能元件的性能，研究超级电容器就显得尤为重要。目前已经制造出以超级电容为储能元件的公交电车，在乘客上下车30s内可充满电并连续行驶5公里km以上。但对于需要连续行驶里程更长的电动汽车而言，这样的储电量是远远不够的，所以提高超级电容的能量密度是非常重要的。

超级电容器；电极材料；储能机理

本文主要从超级电容的电学性能、元件的结构和原理、电极材料等方面讨论超级电容的储能机理。

根据电极材料及储能机理可分为双电层电容器、赝电容电容器和混合型电容器。

1 双电层电容

在电极材料和隔膜中，常使用多孔性材料来提高材料的比表面积，增加其电容量。隔膜一般采用纤维结构的绝缘材料以满足更高的离子电导和较低的电子电导。

超级电容器是在界面双电层的理论基础上研究出的一种特殊电容。Helmoholtz（1879）、Gouy（1910）等发现在金属和电解液之间电荷被分离并形成了一个电荷层。在电极和电解液的接触面上，电解液中携带电荷的离子自发的聚拢在导体的附近。金属内部的电荷聚集在金属表面，与电解液聚集的离子各自形成一个电荷层，由此这个具有两层相异电荷的界面区域就被称为双电层。制造双电层电容器的理论基础就是德国物理学家Helmoholtz提出的界面双电层理论。简而言之：如果在电解液中放入一对电极，并在电极中间加上不足以引起电解质溶液分解的直流电压，在电场力的作用下电解液中的阴阳离子分别向正负两电极快速移动，并在电极的表面形成电荷层，即通过双电层来储存电能。此时形成的双电层和普通电容器在电场中电介质极化后的极化电荷相似，相当于电容。这个系统等价于两个串联的电容器加一个内部电阻。此外致密的双电层等效于平行板电容器，双电层的间距比传统电容器的两极板距离要小很多，因此电容量比普通电容器大很多。双电层电容器每一个电极的电容量可表示为：C=A（Ke/ d）；Ke表示在界面区的介电常数，d是电荷层间距，A代表电解质与电极间接触面面积，（Ke/d）为10~30μF/cm2，所以比表面积就主要决定双电层电容的大小，多孔炭材料就成为首选。

2 赝电容电容器

赝电容电容器，也称法拉第准电容器（黄金电容器），它的工作机理是在电极表面或电极内部二维平面上的氧化还原活性物质（如金属氧化物，导电聚合物等）在电极材料的表面或者内部进行欠电位沉积，发生可逆的化学吸附、脱附或氧化、还原反应，相当于在电极表面产生了一个电容，进而存储电荷。赝电容可以在整个电极产生，因此电容量和能量密度比双层电容器更高。在同等条件下，赝电容电容器通过氧化还反应而产生的最大电容是双电层电容器电容的100倍。

3 超级电容器的电极材料

3.1 负极材料

超级电容器负极材料主要是炭材料，商业化使用的负极炭材料主要是石墨。因负极材料不参与氧化还原反应，而碳材料价格便宜，所以法拉第电容也一般制成非对成型电容器。

3.2 正极材料

用来制作超级电容器正电极的材料主要有三类：碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。现在主要有以下几种电极材料：最初被用作电极材料的是多孔炭；活性炭粉、活性炭纤维、碳凝胶、碳纳米管、玻态炭、模板炭、碳化物衍生炭、石墨烯等。碳材料具有比表面积大、导电率高、电解液浸润性好、电位窗口宽等优点，但是它的缺点主要是能量密度及功率密度低使其比电容偏低。这种材料主要是利用电极/电解液界面形成的双电层储存能量，即双电层电容，通过增大电极活性物质的比表面积，可以增加界面双电层面积，从而提高双电层电容。但实际利用率并不高，原因在于现在的工艺条件制备的多孔碳材料无法避免孔径为2nm以下微孔的形成，而理想的多孔碳材料的小孔直径一般要大于2nm才可有效的形成双电层。因此要努力提高比表面积并控制微孔直径，使其直径大于2nm。除此之外，电极材料表面的官能团和电极材料本身的导电率对电容器的性能也有影响。

金属氧化物电极材料的研究是以法拉第准电容储能原理为研究基础的。就是在电极与电解质接触面上发生氧化还原反应进而产生的吸附电容即法拉第准电容，容值是多孔炭材料的双电层电容的10~100倍。但金属氧化物材料价格高且双电层电容瞬间大电流放电的功率比赝电容电容器高。对于金属氧化物电极材料研究工作主要为以下两个研究方向：①制备高比表面积的金属氧化物活性物质。②使单一金属氧化物与其他金属氧化物复合。

4 结束语

导电聚合物材料也是一个重要的研究对象，导电聚合物在充放电过程中发生氧化还原反应，在电极材料膜上迅速产生n或p型掺杂进而使电极材料上储存高密度的电荷，产生很大的赝电容来实现电容器对电能的储存。这种电极材料制成的超级电容器具有工作时间长、适温范围广、环境友好等特点，但电极材料本身化学稳定性差。合成新的导电聚合物材料，需要寻找的导电聚合物应具有更好的掺杂特性，提高聚合物电极的充放电能力、重复使用次数和化学稳定性等。

[1] 王松宇，王国庆.双电层电容器及其应用[J].国外电子元器件，2001，（6）：11-14.

[2] 梅滨.新型双电层电容器研究现状及展望[J].炭素，2003，（2）：32-35.

[3] 邱照远.赝电容材料用作超级电容器电极材料的研究[D].华侨大学，2013.

Electrode Material and Energy Storage Mechanism of Supercapacitor

Luo Yu-xin，Dong Xiao-feng，Luo Meng-qi，Tan Ya-mei，Zhuo Chun-rui，Yang Guang-min

In order to reduce the dependence on fossil energy，the development of electric vehicles，but because of the inconvenience of their energy storage restricts their development.Therefore，it is very important to study the super capacitor in order to prepare the high performance electrode material and improve the performance of the energy storage element.At present，it has been made a super capacitor as the energy storage components of the bus，the passengers get off the 30s can be full of electricity and continuous travel more than 5 km.But it is not enough for an electric vehicle that needs a longer range of mileage，so it is very important to improve the energy density of supercapacitors.

supercapacitor；electrode material；energy storage mechanism

TM53；TB332

B

1003–6490（2017）05–0183–02

2017–04–05

罗玉馨（1997—），女，湖南长沙人，本科在读，主要研究方向为物理材料。

杨光敏（1981—），女，吉林长春人，副教授，主要研究方向为纳米碳材料的研究。