超级电容器电极工艺中存在的问题分析

南通江海储能技术有限公司 陶吉祥

超级电容器作为随着社会的发展而出现的一种新兴能源储存元件，本身是一种极为特别的能源材料。超级电容器已经在现代的社会生产过程中被广泛的进行应用，但实际上，超级电容器本身的性能较低，这是现代的研究者们着重进行探讨的一个关键点。这就需要人们在对电容器电极的材料选择上进行改变。下文将详细探讨在超级电容器的电极工艺过程中所使用的材料与因此产生的质量问题。

与传统的化学电源相比较而言，超级电容器中储存的电能主要来源于双电层和氧化还原赝电容的电荷传递。与传统的电容器相比，超级电容器的优势在于他能够很快的放出极大的电流，并且充电速度与放电速度极快，充电放电的效率也比较高，本身使用寿命也比较长，这是因为超级电容器内部本身并没有产生化学上的反应。因此，在社会生产的过程中对于超级电容器的使用也比较广泛。

1 电极工艺质量研究现状

1.1 碳材料

碳电极的电容器原理是使用电极与电解液之中储存的电力能量，电极与电解液的表面积能够决定电容器的主要容量大小，虽然他的容量与碳材料的表面积相比，他的表面积越大，电容器容量也越大，但实际上真正能够被投入使用的电量却并不多，多孔材料的孔内直径一般需要大于二纳米及以上，才能够在孔径之中产生双电层，产生了双电层的孔径才能够进行能量的储存工作。如图1所示。

图1 双电层电容器充放电过程图

当多孔材料的孔径小于二纳米的情况下，这个系列会向着提高有效比表面积与可控微孔的孔径的方向发展。使用碳材料作为电极的电容器，他的实际电容量大小与极化电位以及电极与面积大小的比例相关联。因此可以使用极化电位的升高与扩大电极与表面积之间的比例，来成功的将电容量提高。电极双电层中可以存在的电量的典型值约为15～40μF·cm-2。表面积更大的电极材料意味着电容器可以获得更多的电容量。最终的电容值可以由下式得出：

式中：ε0为自由空间地绝对介电常数，ε为电导体和内部赫姆霍兹面间区域地相对介电常数，A为电极表面积，d为导体与内赫姆霍兹面之间地距离。

1.2 贵金属氧化物

将贵金属氧化物用作电极的制作工艺之中是基于电容储存的原则，就是在电极表面产生的氧化反应所诞生的吸附电容。贵金属氧化物制作的电极所拥有的电容量能够远远高于碳材料制作的电极所拥有的电容量。但碳材料制作的电极能够瞬间的进行大容量的放电，这一点是贵金属氧化物的电极所不能做到的。常见的贵金属氧化物制作的电极如表1所示。

表1 常见的贵金属氧化物电极表

贵金属氧化物的电极在制作工艺中，主要使用的材料是二氧化钌与二氧化铱等贵金属氧化物，作为制造电极的基础材料。由于二氧化钌本身具有极强的导电性，比碳材料做出的电极更加的适用，且二氧化钌的电极在硫酸中也能够拥有极强的稳定性，能够在使用的过程中得到更高的能量。通过使用二氧化钌进行制备出的电极拥有更好的效益与效果。用二氧化钌与水合物作为超级电容器的电极，最终产生的电解液具有的电能能够达到700F·g-1。使用二氧化钌与二氧化铱制作电极的超级电容器，正在努力的提高自身对于贵金属资源的利用效率，通过将贵金属氧化物进行一定程度上的转换，或将材料精细化，可以将贵金属氧化物与电解液的接触面积变多，成功提高对贵金属氧化物的利用效率，从而有效地避免浪费。

1.3 电聚合物电极

可以在实际设计时选取对应的不同电聚合物，进一步选择能够提高整体效力的电聚合物，提高超级电容器的整体性能。由电聚合物制作成的电极主要可分为三种结构：对称结构、不对称结构与掺杂结构。对称结构是电容器中存在的两种不同电极由相同的可掺杂电聚合物组成的。不对称结构是电容器中两种不同电极使用不同的可掺杂聚合物组成的。导电聚合物的掺杂分为P类型与N类型两种方式，当超级电容器进行充电工作时，两种电极分别为不同类型的掺杂方式。当超级电容器进行放电工作时，两种电极是同样的掺杂方式。这样的电聚合物电极可以将超级电容器内的电压进行有效的提高，达到3V。当电极的电聚合物是两种不同的掺杂状态时，超级电容器进行充电与放电操作时就能够将电解液中产生的离子进行充分利用，产生与蓄电池相似的电力特征。因此，电聚合物电极所制造的超级电容器也是公认的最优发展潜力的超级电容器。

2 电极工艺中存在的问题及解决方式

2.1 碳材料

（1）存在的问题

从实用性的角度上来说，碳材料是目前在电极中使用的所有材料中使用行为最强的一个，他常常会被运用于市场之中的各种产品，当然也包括新型的超级电容器。现有的超级电容器中，制作电极的工艺中主要使用的就是具有高活性的碳材料。但碳材料本身需要的成本与其他材料相比较高，占整个超级电容器总成本的百分之三十左右，这也是超级电容器整体成本较高的原因。因此，超级电容器市场推广困难的一个重要原因在于其高昂的制作成本所带来的高昂的价格。

（2）解决方法

可以将锂离子电池的电极中所使用到的材料与碳材料混合起来，作为电容器电极的材料，形成一种更加先进的准电化学超级电容器。使一个电极成为双电层的电极，另一个电极能够构成一个具有氧化还原反应的电极，这样的功率特性取决于Li+在正极制造工艺中的电化学行为，提高了电容器体的能量比例。充电时Li+能够从正极当中分离开来，回到电解液之中，补充了本体电解液的稀缺问题。这种方式是将电极中的结构与性能都得到进一步的提升，同时降低电极的制作成本，可以作为新型的超级电容器电极研发项目。

2.2 贵金属材料

（1）存在的问题

贵金属的材料本身比较稀缺，产量低，因此贵金属材料本身的价格比其他材料更为昂贵，这实际上也限制了生产过程中对于贵金属的进一步的使用。一般情况下，如何选择更为优惠实用的材料来进行对贵金属材料的替代，找出与贵金属材料性能相似的材料作为电极的制作材料，这一直成为国内外的研究学者们重点进行研发探索的课题。

（2）解决方法

二氧化锰是一种极具代表性的材料，二氧化锰的产量较高，价格比贵金属更为实惠，对环境所产生的污染较小。因此，已经被用来代替贵金属制作电极与一些氧化催化工艺中的材料。到目前为止，在超级电容器中使用二氧化锰这一目标，已经有了很大的突破。二氧化锰虽然在某些方面来说与贵金属性能相似，但最主要的电力性能还无法满足电容器所需的基本要求，目前还没有一种明确的氧化物可以被用来代替二氧化钌。

2.3 电聚合物电极

（1）存在的问题

电聚合物所制作的电极实际用于商业之中的现象还不多，使用电聚合物制作电极本身价格也比较高。对于电聚合物所进行研究的工作主要在找寻富有优秀的掺杂性能的新型导电聚合物。掺杂性能更强的电聚合物能够提高电聚合物电极的放电效益，提高电极的使用寿命与热稳定性。现在被应用于电极制作工艺中的一些电聚合物，在进行掺杂之后，大多会产生电压过高的现象，或是本身循环能力不够出众，从而限制了这些电聚合物的实际应用。

（2）解决方法

可以将导电聚合物施加在衬底上从而形成电极或是导电轨迹，这种方法在于用衬底的方式来承载导电层，在导电层上进一步印刷导电聚合物。这种方式的主要特征在于让导电层在还未被电聚合物保护的区域在被清除的过程中，由印刷的聚合物来起到抗蚀剂的作用。通过这种方法，借助金属导电层，不仅可以供给更加高效的电流传导力量，还将电聚合物良好的电子特性注入到电极之中成为了可能。

结论：现有的超级电容器在电极工艺的制作过程中大多会选择碳材料来进行电极的制作。但是，导电聚合物、金属氧化物等物质作为电极材料还依然处于探索之中，并没有实际的被大范围投入市场，还处于实验室的研发阶段。在超级电容器的电极材料选择与研究上，还需要集中思维在现有材料的工艺改良与结构改良方面。将材料之间进行有机的融合，使电极本身能够兼有多种电容方式，探讨如何将高性能材料大规模的投入生产，从而适应现代的超级电容器市场对于高性能、低成本的电极工艺的新需求。