2021-01
隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，化石燃料的快速消耗和其所造成的環(huán)境污染的日益惡化，因此迫切需要有效利用能源，并尋求可替代化石燃料的可再生和清潔能源，以促進國家經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。近年來能源存儲領(lǐng)域的研究受到了廣泛的關(guān)注，能源儲存是實現(xiàn)能源的多用途、清潔和高效利用的重要部分。電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和儲存技術(shù)因其靈活、用途廣泛、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點在眾多能源存儲與轉(zhuǎn)化技術(shù)中脫穎而出。[1-3]其中超級電容器具有較高的功率密度和長周期使用壽命，為進一步發(fā)展混合動力提供了良好的機遇，具有廣闊的應(yīng)用前景。
超級電容器簡介
超級電容器是一種容量遠大于常規(guī)物理電容器的電化學(xué)儲能裝置，其充放電速率遠遠高于一次電池和二次電池。超級電容器具有功率密度高、充放電快、安全、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。因此，超級電容器在通訊、交通、電子、航空等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力，與電池相結(jié)合，超級電容器有望被用于驅(qū)動混合動力汽車。相對于電池，超級電容器在同等容量下可以提供100到數(shù)千倍的功率，然而它們電量儲存通常比電池低3-30倍，這使得超級電容非常適合在需要功率爆發(fā)的情況下進行應(yīng)用，不適合高能量存儲，因此需要大幅度提高它們的性能，以滿足未來系統(tǒng)的更高要求。
超級電容器分類
根據(jù)不同的儲能機理，超級電容器主要可分為兩種類型，一種是雙電層電容器，如圖1（a）所示，當(dāng)對其施加電場，在電解液中，陽離子向負極移動，陰離子則向正極移動而形成電勢差。電極表面的電荷通過靜電作用吸附電解液中的反離子，并在電極與電解液之間形成一個厚度為幾納米的凝聚層，保證了電荷的中性，使電層穩(wěn)定存在，則形成界面雙電層。其中包括(厚度約為1 nm)電極中的空間電荷層(通常是多孔碳)、致密的亥姆霍茲層和電解液中的擴散層。[4]由于EDL中的電能是以聚集電荷的形式儲存在電極材料表面，與電極表面積成正比，所以電極材料本質(zhì)上具有較大的孔隙體積和較高的表面積。
圖1超級電容器分類：A:靜電型電容器B:雙電層型超級電容器C:贗電容型超級電容器D：鋰離子混合型電容器[4]
另一種是法拉第電容器，其中電極材料具有電化學(xué)活性，例如金屬氧化物，它可以在充放電過程中直接儲存電荷。贗電容電荷存儲基本上依賴于電極材料和電解質(zhì)離子之間的氧化還原反應(yīng)。電能是由法拉第氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的贗電容。根據(jù)這些氧化還原反應(yīng)的位置，贗電容性電荷存儲可分為表面電荷存儲和體電荷存儲（圖2（b、c））。發(fā)生這種氧化還原反應(yīng)的材料包括導(dǎo)電聚合物和幾種金屬氧化物，包括RuO2、MnO2和Co3O4等[5]。
圖2超級電容器的工作原理：a)電雙層，b)表面氧化還原反應(yīng)，c)本體氧化還原反應(yīng)[6]
多孔碳基電極材料
多孔碳因其較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)以及良好的導(dǎo)電性，同時成本低廉，來源廣泛而備受關(guān)注，被認為是雙電層電容器最有前景的電極材料。它們的物理性質(zhì)，如比表面積、孔徑結(jié)構(gòu)、石墨化程度或雜原子摻雜等對材料電化學(xué)性能影響較大。根據(jù)孔徑大小，多孔碳材料主要分為微孔(2 nm)、介孔(2-50 nm)以及大孔(>50 nm)。其孔徑結(jié)構(gòu)對材料在實際應(yīng)用中有重要影響，作為電極材料來說，多孔碳的大孔可用來存儲電解質(zhì)離子，介孔提供了電解質(zhì)離子的擴散通道，多孔碳材料的微孔對比表面積和電容的貢獻較大，在離子存儲中起主導(dǎo)作用。
另一方面，多孔純碳材料具有較強的化學(xué)惰性，因此可以通過引入雜原子來改變碳材料的電子云分布而形成新的活性位點，提高其電化學(xué)活性。另外，雜原子摻雜可改變碳材料的極性，提高材料表面潤濕性，明顯改善電化學(xué)性能。碳材料的表面雜原子(如O、N、B、S、P)對其表面活性起著重要的作用。研究表明，這些雜原子含有孤對電子以及與碳的電負性差異，可改變碳骨架的電荷分布，從而調(diào)節(jié)多孔碳材料的物理化學(xué)性質(zhì)。此外，在能源應(yīng)用領(lǐng)域，金屬摻雜碳材料對其性能有重要影響，可明顯提高電容器的能量密度。
展望：
超級電容器作為一種新興的儲能元件具有極其廣闊的市場前景，而高性能電極材料是當(dāng)前超級電容器研究的重點。超級電容器要想滿足電動汽車和可再生能源發(fā)電等對高能量/高功率密度的需求。超級電容器的性能主要取決于電極的電化學(xué)活性和動力學(xué)特性。為了提高超級電容器的功率密度，提高電極和電極/電解質(zhì)界面的離子和電子運輸動力學(xué)至關(guān)重要。必須使電極材料具有比電容高、比表面積大、導(dǎo)電率高、循環(huán)壽命長和成本低等特點。通過調(diào)控制備方法得到理想結(jié)構(gòu)的多孔活性炭，實現(xiàn)低成本下性能可控的規(guī)?；苽?，將具有誘人的應(yīng)用前景。
參考文獻：
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