超级电容器的电极材料及应用

罗玉馨　董小凤　罗梦琪　谭亚梅　卓春蕊　杨光敏

【摘 要】本文主要从超级电容的电学性能、元件的结构和原理、电极材料等多个方面讨论超级电容的储能机理。分别讲述双电层电容器，法拉第电容器以及混合电容器的结构构造和其储能机理。还探讨了电极材料对于超级电容器的储存电量的影响。本文尤为重要的介绍了碳材料，金属氧化物，导电聚合物等三种材料选取对于超级电容器性能的影响。最后讨论一下超级电容器目前的最新发展和实际应用情况。

【关键词】超级电容器；双电层电容器；赝电容电容器；电极材料；应用

1 超级电容器的研究背景及意义

超级电容器，又叫电化学电容器。与传统意义上的电容器有着不同的储能机理，该电容器依靠被氧化还原的赝电容电荷与双电层来储存电能。作为介于传统电容器与电池之间的一种新型电源，超级电容器具备着很多的优点。例如，能长时间循环使用，放电时间短，功率密度高以及不受温度影响等一系列其他电容器所不能比拟的优点。所以，超级电容器被广泛的应用于工业控制，城市公交系统，铁路枢纽，航空航天等大型设施建设中。尤其在国防科工，通信航天等领域中，有着巨大的市场潜力和应用价值。

从十九世纪70年代至今，超级电容器的发展历经了很多重要的历程：上世纪五十年代末，有科学家提议把由金属片构成的双层电化学电容器替换成由多空碳材料构成的电容器，并得到了实践的证明，换句话说，此时电化学电容器得到了飞速的进步；世界上第一个商用超级电容器于1971年问世，这标志着超级电容器已经开始进入市场化运作阶段；二十世纪八十年代，由于引进了赝电容电极材料，超级电容器的能量密度得到了大幅度提升，达到了从未达到过的法拉级别，至此，所谓的电化学电容器才被冠以真正意义上的超级电容器；九十年代，超级电容器的发展前景被西方发达国家看重，他们纷纷提出了为该电容器服务的重大战略。“短，中，长”计划由美国提出，希望通过对超级电容器的研究，能够给予F22战机更为先进的电磁弹射装置，而欧盟国家联合提出了超级电容器汽车项目。不过可悲的是，现在最大规模的超级电容器汽车即特斯拉公司却在美国硅谷中运行。不甘于落后的日本列出了“新阳光计划”旨在加速超级电容器的研究，来带动一系列的岗位以及就业问题。到了二十一世纪，我国对于超级电容器的储能机理有了新的研究方向，现已成为超级电容器输出强国。

2 碳材料在储能电极材料的中的应用

众所周知，储能材料决定着超级电容器的功率和能量密度。所以，对于储能材料的研究就成为了对超级电容器研究的重中之重。在对于混合型电容器的研究，科学家们发现了用纳米碳材料作为电极能得到更加明显的储能效果。这种电容器是由半个双电层的碳电极与半个含有无机化合物和聚合物构成的电极，与传统的电极有着明显的不同，这种构造能够明显的提升存储电能的效率，加长循环时间，目前，此类电容器是超级电容器的研究热点，希望在不久的将来，能够投入到大规模的生产中，来为人类造福。

碳元素是自然界种最活跃的一种元素，可以说是与人们的生活是密不可分的。他具有着三种不同的电子杂化轨道，所以碳元素是能构成各种各样形式的同素异形体的元素之一。尤其是石墨烯，其巨大的储能效率已经赢得了众多科学家的青睐，并且石墨烯有着很多材料所不能比拟的储能优点。因此石墨烯作为电极是很好的选择。

3 超级电容器的电极材料

制作超级电容器的电极材料在大体上可以分为碳材料、导电聚合物、金属氧化物这三类。因为电极的优劣会直接影响到电容器的性能，它是超级电容器的重要依托。所以，优质又价廉的电极材料一直以来备受人们的追捧。下面，我就从电极的材料选取方面来讲述不同材料电极对于超级电容器的性能的影响。

3.1 碳材料

对于超级电容器的电极的材料选取时间来看，碳材料可以说是被最早应用上的。因为其价格低廉，性能优异，所以被看重。从碳材料被应用，一直到现在，大约历经了六十多年的时间。期间的发展过程，可谓艰辛。碳材料，有着巨大的比表面积，意味着具有的电容量也就越大。另外，碳材料表面上的官能团，表面密度等对电容量的影响也非常的大。而带的官能团不同，也就意味着储存电荷的能力也就不同。而我们知道，他可以带成千上万种不同类型的官能团，至今，科学家们已经证实了有以下几种碳材料可以应用于超级电容器的电极材料。

3.1.1 活性炭

之所以选择活性炭材料作为超级电容器的电极材料，是因为活性炭具有较高的电导率。我们知道，作为活性炭材料，电导率是随着材料的表面积的增加而降低，而活性炭材料虽然有着很高的比表面积，但是其表面积却很低，所以它会有很高的电导率。

3.1.2 碳纳米管

由于碳纳米管具有非常好的导电性，结晶度高，比表面积大等优点，所以，将碳纳米管作为超级电容器的电极材料是极好的选择。由于碳纳米管表面有着很大的比表面积以及丰富的官能团，所以对于电荷的吸附能力是非常强的，也能形成双电层，不光具有双电层电容器的特效，还有氧化还原的能力。所以，吸收电荷的能力也就随之增强。据统计，增加了比表面积的碳纳米管在吸收大量的官能团之后，要比活性炭吸附的电荷量多30%左右。并且重复循环次数也会显著提升。

3.2 金属氧化物

上世纪九十年代，科学家们通过大量的实验现象表明，一些金属的氧化物也具有很强的氧化性，可以用来作为超级电容器的电极材料。比如说用电化学沉积法制备的MnO2电极材料，比用导电聚合物作为电极材料的电容储备量竟然能高出40%以上。而且经过充放电等2500次之后，电容量的衰减不到7%。这是金属氧化物作为电极的一个最大的优点，耗损很少。正如双层电容器的工作原理那样，它的导电原理是通过电极上的导电聚合物的氧化还原来储存能量的。发生氧化还原反应之后，能在聚合物表面上形成大量的N型和P型掺杂，使其储存了高密度的电荷，所以会产生一定规模的电容。

3.3 导电聚合物

正如赝电容器的工作原理那样，它的导电原理是通过电极上的导电聚合物的氧化还原来储存能量的。发生氧化还原反应之后，能在聚合物表面上形成大量的N型和P型掺杂，使其储存了高密度的电荷，所以会产生一定规模的电容。现在的导电聚合物电极材料一般分为三类。其一，两种电极都是N型掺杂。其二，两种电极都是P型掺杂。其三，两种电极，一个是N型掺杂，一种是P型掺杂。并且第三种是两种掺杂类型不同的电极，对阴阳离子的吸附能力要强一些，所以第三种混合掺杂型会使得电容器储存电能的能力大大增强。虽然它的储存电能的能力很强，并且温度范围宽，但是其造价成本很高，做成的品种和类型也远不如活性炭材料做成的種类多。

【参考文献】

[1]周强，王金全，杨波.超级电容器：性能优越的储能器件[J].电气，2002，18：15-16.

[2]耿新.二氧化锰电化学电容器的研究[C].天津大学，[2005，03：78-34.

[3]史军.聚苯胺及其复合材料的制备与性能研究[C].天津大学，2011，09：36-5.

[4]唐月.高电导纳米粒子增强石墨烯/四氧化三锰复合材料电化学性能的研究[C].东华大学，2007，23：76-34.

[5]胡向春.新型炭材料的制备及其电化学性能研究[C].暨南大学，2007，14：16-35.

[6]蒋凤平.导电聚合物的制备与电化学性能[C].暨南大学，201219：5-51.

[7]白志上.电化学超级电容器薄膜电极材料的制备及其性能研究[C].燕山大

学，2011，07：45-75.

[责任编辑：张涛]