羅玉馨 董小鳳 羅夢(mèng)琪 譚亞梅 卓春蕊 楊光敏
【摘 要】本文主要從超級(jí)電容的電學(xué)性能、元件的結(jié)構(gòu)和原理、電極材料等多個(gè)方面討論超級(jí)電容的儲(chǔ)能機(jī)理。分別講述雙電層電容器,法拉第電容器以及混合電容器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和其儲(chǔ)能機(jī)理。還探討了電極材料對(duì)于超級(jí)電容器的儲(chǔ)存電量的影響。本文尤為重要的介紹了碳材料,金屬氧化物,導(dǎo)電聚合物等三種材料選取對(duì)于超級(jí)電容器性能的影響。最后討論一下超級(jí)電容器目前的最新發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用情況。
【關(guān)鍵詞】超級(jí)電容器;雙電層電容器;贗電容電容器;電極材料;應(yīng)用
1 超級(jí)電容器的研究背景及意義
超級(jí)電容器,又叫電化學(xué)電容器。與傳統(tǒng)意義上的電容器有著不同的儲(chǔ)能機(jī)理,該電容器依靠被氧化還原的贗電容電荷與雙電層來儲(chǔ)存電能。作為介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的一種新型電源,超級(jí)電容器具備著很多的優(yōu)點(diǎn)。例如,能長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)使用,放電時(shí)間短,功率密度高以及不受溫度影響等一系列其他電容器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。所以,超級(jí)電容器被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制,城市公交系統(tǒng),鐵路樞紐,航空航天等大型設(shè)施建設(shè)中。尤其在國(guó)防科工,通信航天等領(lǐng)域中,有著巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用價(jià)值。
從十九世紀(jì)70年代至今,超級(jí)電容器的發(fā)展歷經(jīng)了很多重要的歷程:上世紀(jì)五十年代末,有科學(xué)家提議把由金屬片構(gòu)成的雙層電化學(xué)電容器替換成由多空碳材料構(gòu)成的電容器,并得到了實(shí)踐的證明,換句話說,此時(shí)電化學(xué)電容器得到了飛速的進(jìn)步;世界上第一個(gè)商用超級(jí)電容器于1971年問世,這標(biāo)志著超級(jí)電容器已經(jīng)開始進(jìn)入市場(chǎng)化運(yùn)作階段;二十世紀(jì)八十年代,由于引進(jìn)了贗電容電極材料,超級(jí)電容器的能量密度得到了大幅度提升,達(dá)到了從未達(dá)到過的法拉級(jí)別,至此,所謂的電化學(xué)電容器才被冠以真正意義上的超級(jí)電容器;九十年代,超級(jí)電容器的發(fā)展前景被西方發(fā)達(dá)國(guó)家看重,他們紛紛提出了為該電容器服務(wù)的重大戰(zhàn)略?!岸?,中,長(zhǎng)”計(jì)劃由美國(guó)提出,希望通過對(duì)超級(jí)電容器的研究,能夠給予F22戰(zhàn)機(jī)更為先進(jìn)的電磁彈射裝置,而歐盟國(guó)家聯(lián)合提出了超級(jí)電容器汽車項(xiàng)目。不過可悲的是,現(xiàn)在最大規(guī)模的超級(jí)電容器汽車即特斯拉公司卻在美國(guó)硅谷中運(yùn)行。不甘于落后的日本列出了“新陽光計(jì)劃”旨在加速超級(jí)電容器的研究,來帶動(dòng)一系列的崗位以及就業(yè)問題。到了二十一世紀(jì),我國(guó)對(duì)于超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)理有了新的研究方向,現(xiàn)已成為超級(jí)電容器輸出強(qiáng)國(guó)。
2 碳材料在儲(chǔ)能電極材料的中的應(yīng)用
眾所周知,儲(chǔ)能材料決定著超級(jí)電容器的功率和能量密度。所以,對(duì)于儲(chǔ)能材料的研究就成為了對(duì)超級(jí)電容器研究的重中之重。在對(duì)于混合型電容器的研究,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了用納米碳材料作為電極能得到更加明顯的儲(chǔ)能效果。這種電容器是由半個(gè)雙電層的碳電極與半個(gè)含有無機(jī)化合物和聚合物構(gòu)成的電極,與傳統(tǒng)的電極有著明顯的不同,這種構(gòu)造能夠明顯的提升存儲(chǔ)電能的效率,加長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間,目前,此類電容器是超級(jí)電容器的研究熱點(diǎn),希望在不久的將來,能夠投入到大規(guī)模的生產(chǎn)中,來為人類造福。
碳元素是自然界種最活躍的一種元素,可以說是與人們的生活是密不可分的。他具有著三種不同的電子雜化軌道,所以碳元素是能構(gòu)成各種各樣形式的同素異形體的元素之一。尤其是石墨烯,其巨大的儲(chǔ)能效率已經(jīng)贏得了眾多科學(xué)家的青睞,并且石墨烯有著很多材料所不能比擬的儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn)。因此石墨烯作為電極是很好的選擇。
3 超級(jí)電容器的電極材料
制作超級(jí)電容器的電極材料在大體上可以分為碳材料、導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物這三類。因?yàn)殡姌O的優(yōu)劣會(huì)直接影響到電容器的性能,它是超級(jí)電容器的重要依托。所以,優(yōu)質(zhì)又價(jià)廉的電極材料一直以來備受人們的追捧。下面,我就從電極的材料選取方面來講述不同材料電極對(duì)于超級(jí)電容器的性能的影響。
3.1 碳材料
對(duì)于超級(jí)電容器的電極的材料選取時(shí)間來看,碳材料可以說是被最早應(yīng)用上的。因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉,性能優(yōu)異,所以被看重。從碳材料被應(yīng)用,一直到現(xiàn)在,大約歷經(jīng)了六十多年的時(shí)間。期間的發(fā)展過程,可謂艱辛。碳材料,有著巨大的比表面積,意味著具有的電容量也就越大。另外,碳材料表面上的官能團(tuán),表面密度等對(duì)電容量的影響也非常的大。而帶的官能團(tuán)不同,也就意味著儲(chǔ)存電荷的能力也就不同。而我們知道,他可以帶成千上萬種不同類型的官能團(tuán),至今,科學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)了有以下幾種碳材料可以應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料。
3.1.1 活性炭
之所以選擇活性炭材料作為超級(jí)電容器的電極材料,是因?yàn)榛钚蕴烤哂休^高的電導(dǎo)率。我們知道,作為活性炭材料,電導(dǎo)率是隨著材料的表面積的增加而降低,而活性炭材料雖然有著很高的比表面積,但是其表面積卻很低,所以它會(huì)有很高的電導(dǎo)率。
3.1.2 碳納米管
由于碳納米管具有非常好的導(dǎo)電性,結(jié)晶度高,比表面積大等優(yōu)點(diǎn),所以,將碳納米管作為超級(jí)電容器的電極材料是極好的選擇。由于碳納米管表面有著很大的比表面積以及豐富的官能團(tuán),所以對(duì)于電荷的吸附能力是非常強(qiáng)的,也能形成雙電層,不光具有雙電層電容器的特效,還有氧化還原的能力。所以,吸收電荷的能力也就隨之增強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),增加了比表面積的碳納米管在吸收大量的官能團(tuán)之后,要比活性炭吸附的電荷量多30%左右。并且重復(fù)循環(huán)次數(shù)也會(huì)顯著提升。
3.2 金屬氧化物
上世紀(jì)九十年代,科學(xué)家們通過大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明,一些金屬的氧化物也具有很強(qiáng)的氧化性,可以用來作為超級(jí)電容器的電極材料。比如說用電化學(xué)沉積法制備的MnO2電極材料,比用導(dǎo)電聚合物作為電極材料的電容儲(chǔ)備量竟然能高出40%以上。而且經(jīng)過充放電等2500次之后,電容量的衰減不到7%。這是金屬氧化物作為電極的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn),耗損很少。正如雙層電容器的工作原理那樣,它的導(dǎo)電原理是通過電極上的導(dǎo)電聚合物的氧化還原來儲(chǔ)存能量的。發(fā)生氧化還原反應(yīng)之后,能在聚合物表面上形成大量的N型和P型摻雜,使其儲(chǔ)存了高密度的電荷,所以會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)模的電容。
3.3 導(dǎo)電聚合物
正如贗電容器的工作原理那樣,它的導(dǎo)電原理是通過電極上的導(dǎo)電聚合物的氧化還原來儲(chǔ)存能量的。發(fā)生氧化還原反應(yīng)之后,能在聚合物表面上形成大量的N型和P型摻雜,使其儲(chǔ)存了高密度的電荷,所以會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)模的電容?,F(xiàn)在的導(dǎo)電聚合物電極材料一般分為三類。其一,兩種電極都是N型摻雜。其二,兩種電極都是P型摻雜。其三,兩種電極,一個(gè)是N型摻雜,一種是P型摻雜。并且第三種是兩種摻雜類型不同的電極,對(duì)陰陽離子的吸附能力要強(qiáng)一些,所以第三種混合摻雜型會(huì)使得電容器儲(chǔ)存電能的能力大大增強(qiáng)。雖然它的儲(chǔ)存電能的能力很強(qiáng),并且溫度范圍寬,但是其造價(jià)成本很高,做成的品種和類型也遠(yuǎn)不如活性炭材料做成的種類多。
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