超级电容器的分类

杨光敏

（长春师范大学物理学院，吉林 长春 130000）

1 引言

随着人类对能源的需求量与日俱增、传统能源的几近匮乏和耗能设备的持续增加而日益加剧，其导致的直接后果是，一方面人们会对传统的能源剥夺更为激烈，另一方面会对环境造成巨大的压力。因此，急需一种解决上述问题的有效途径，从而缓解人类对于能源的大量需求，这正是新能源材料逐步成为未来社会主流能源的内在动因和推动力量。新型环保节能设备，超级电容器在这一时代背景下应运而生，并在当今社会逐渐地占有一席之地。根据充放电机制的不同，电化学电容器可以分为以下几类：

（1）双电层电容器。这类材料通常采用高比表面积的碳材料作为电极使用，主要包括：活性炭、碳毡、碳气凝胶、碳纤维以及目前较为热门的碳纳米管、碳纳米片和石墨烯等[1-5]。这类材料是通过利用电极和电解质界面的双电层来存储电荷的。碳材料作为双电层电容器的工作电极，主要利用了其较高的比表面积、优异的循环稳定性、宽的电位窗口、可用于有机电解质体系从而在更宽的温度范围内使用等优点。但是碳基双电层电容器的不足也是很明显的，相较于后文所介绍的赝电容电极而言，双电层电容器往往存在着比电容普遍较低的弊端，一般小于500F/g（而赝电容材料的比电容数值往往都在500F/g以上），改进其不足的方式主要可以通过对碳材料表面进行活化以引入含氧官能团、提高碳材料的比表面积、与赝电容材料进行复合等方法。

（2）赝电容超级电容器。这类电容器的电极材料往往选用赝电容材料，它们是通过表面或近表面快速、近可逆的化学反应来实现电荷存储的。而如果将赝电容进一步细化，可以分为二维反应过程中电化学活性分子的单分子或类单分子层在基体表面发生电吸附和脱附进而转移电荷的“吸附赝电容”以及电活性物质通过氧化还原反应产生氧化态或者还原态来存储能量的“氧化还原赝电容”两种类型。赝电容材料主要有过渡金属氧化物和氢氧化物[6-7]、导电聚合物两种。过渡金属氧化物和氢氧化物通过表面和/或内部的氧化还原反应来进行电荷转移过程，进而存储能量，而导电聚合物材料主要是利用其掺杂-去掺杂电荷过程来实现能量的存储和释放。赝电容电容器的优点是能够通过提供较高的比电容，往往能够达到1000F/g以上，同时可以通过制备手段的变化，形成多种形貌、结晶度、相结构的电极材料，从而得到具有不同电化学性能的电极材料。

（3）混合型超级电容器或称非对称型超级电容器。它们是指由形成双层电容的碳负极与其它碳材料、金属氧化物、金属氢氧化物、导电聚合物或无机化合物等材料作为正极构成的超级电容器。目前水溶液电解质体系中，已有碳-氧化镍混合电容器产品，同时正在发展有机电解质体系的碳-碳、碳-二氧化锰等混合型超级电容器[8]。

此外，根据所工作电解液的不同，超级电容器又可以分成液相和固相两种。液相超级电容器又可以分为水系、有机系、熔融盐以及离子液体等类型，水相体系主要采用的是水溶液作为溶剂，选用不同的酸、碱或者无机盐作为电解质或者氧化还原反应物以实现其电极工作的，其优点在于许多高理论比容的赝电容电极材料都是通过该体系得以实现的，但是，水的分解电位（即发生析氢和析氧过程的电位）以内所能工作的电位窗口较窄，往往只在1V范围内，因此限制了超级电容器能量密度的提高；而有机电解液或者离子液体，往往能将工作电位窗口提高到3V以上，在一定程度上满足了超级电容器高能量密度的要求，但是能够在该体系中工作的电极材料种类不如在水系中的多，一般主要有碳材料、二氧化锰、氧化钌等，而对于大部分的赝电容电极材料来说，由于在该电解液体系中不能提供其表面氧化还原反应所必须的反应离子，因为在很大程度上受到了局限和制约。

2 结论

超级电容器可分为双电层电容器、赝电容超级电容器、混合型超级电容器或称非对称型超级电容器。根据所工作电解液的不同，超级电容器又可以分成液相和固相两种。

［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.