1。2  超级电容器简介

    电化学电容器（又称超级电容器）作为一种近几年备受关注的电化学储能器件由于拥有比容量高、大电流放电能力强、功率密度高、循环稳定性好和操作安全等优点，而被认为是具有前景的新型储能体系之一[2-4] 。

图1。1  几种不同电储能装置的能量密度与功率密度关系图

超级电容器在能量密度与功率密度关系上可以完美填补传统电容器与锂离子电池及燃料电池之间的空隙（如图1。1所示）。电化学电容器与传统电容器相比拥有明显提升的能量密度；而与锂离子电池和燃料电池相比，电化学电容器拥有更好的快速充放电能力（数秒到数十秒内）、更大的功率密度（> 10 kW kg-1）、优异的循环寿命(> 105次)以及长期操作安全性等优点[5]。迄今为止，超级电容器因其独特的优点而被普遍应用于电子产业、后备电源系统、能源储存与利用管理和工业用电等方面。其中，在工业电力系统领域，超级电容器可以为电源的不间断供给（快速响应的存储可在几秒内将全电网提升至全功率）和电站调峰提供高质量电力，从而大大降低来自电力中断造成的经济损失。此外，超级电容器还可以作为临时储能装置与能量密度高但是功率密度有限的电池或燃料电池配合使用，并在电动车、混合动力电动车、飞行器等交通工具中的电制动辅助、起动机和发电机等高功率应用上具有广泛应用前景[6-8]。具体地，在含有高能量电池或燃料电池的混合动力车中，超级电容器可以为短期加减速和能量回收提供高功率密度，可以节省能源并保护电池免受高频快速充放电过程，从而延长动力系统寿命、减少系统整体质量及体积并提升整体效率。虽然超级电容器具有上面描述的突出的优点，但其也面临着亟待解决的劣势：有限的能量密度（< 10 Wh kg-1）难以满足目前不断增长的对于高能量密度应用的需求。因此对于电化学电容器，在保持其高功率密度的前提下尽可能地提升其能量密度是目前全世界此领域的研究热点。此外，超级电容器制备的成本控制对于其实现大规模商业应用也具有深远的意义。目前主要通过以下几个参数指标评价超级电容器性能：比电容、倍率性能（在大电流充放电情况下比电容保留值）、能量密度、循环稳定性（多次重复充放电后的容量保留率）和功率密度。

由能量密度计算公式[9] ：E= 0。5*C*V2可知，可以通过提升电容器比电容量C (F g-1) 来超级电容器的能量密度E (Wh kg-1)。

图1。2  超级电容器结构组成图

 图1。2是对称型超级电容器的结构组成图。所有组成部分中负极，电解液和正极是超级电容器的必不可少的组成部分[10]。电极材料是影响超级电容器电化学性能的关键因素，电极材料自身性能是其电化学性能的决定性因素。所以，寻找并开发性能优异的可用于超级电容器的电极材料显得举足轻重。

1。3  电极材料

根据储存能量机理的不同，超级电容器主要分为以碳材料为主的双电层电容(electrochemical double layer capacitors, EDLCs) 和以过渡金属氧化物或氢氧化物以及导电聚合物为主的法拉第赝电容(pseudocapacitors)。

图1。3  两种不同电容类型储能机理图（A）双电层电容（B）赝电容

双电层电容储能主要通过在电极-电解液界面附近发生的快速可逆的电荷吸附转移并形成电双层来实现（如图1。3A所示）。双电层电容产生的整个过程不涉及任何氧化还原反应，而与作为电极的材料的比表面积联系紧密，因此目前大多数双电层电容都选用具有较大比表面积的多孔碳材料（主要包括碳凝胶、石墨烯、碳纤维、碳纳米管和活性炭等材料）[11-14] 。双电层电容的储能机理赋予了其快速充放电的能力，从而具有很高的功率密度和良好的循环寿命。赝电容与双电层电容储存电能机理的区别在于赝电容是利用电极活性物质与电解液间的法拉第反应（主要包括表面离子的吸附和脱附过程、氧化还原反应以及电化学掺杂及脱掺杂）产生能量（具体机理如图1。3B所示，以氧化钌为例）。因为产生赝电容的法拉第电化学过程发生在电极材料的表面的同时也发生在接近电极表面的电极内部，因此赝电容材料通常拥有明显优于比双电层电容的比电容和能量密度。赝电容材料大致可以分为两种：1，过渡金属氧化物/氢氧化物[15-20]，如氧化钌 (RuO2)、氧化锰 (MnxOy)、氧化镍 (NiO)、氧化钴 (Co3O4)、