當(dāng)前，儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同領(lǐng)域內(nèi)扮演著越來(lái)越重要的角色，比較典型的領(lǐng)域如電動(dòng)交通工具、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。在這種背景下，超級(jí)電容器作為一種儲(chǔ)能技術(shù)，具有功率密度高、免維護(hù)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。近幾年來(lái)，超級(jí)電容器技術(shù)進(jìn)步較快，尤其在學(xué)術(shù)界不斷有新的技術(shù)突破見(jiàn)諸報(bào)道電容，在學(xué)術(shù)界支撐下，產(chǎn)業(yè)界在生產(chǎn)制造和應(yīng)用端也取得了較大進(jìn)展。

對(duì)此，儲(chǔ)能聯(lián)盟研究部對(duì)超級(jí)電容器研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進(jìn)行了追蹤，并根據(jù)市場(chǎng)應(yīng)用情況，對(duì)超級(jí)電容器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

儲(chǔ)能聯(lián)盟將分兩期與大家分享超級(jí)電容器的相關(guān)情況，本文為您詳細(xì)介紹超級(jí)電容器的基本原理及分類(lèi)以及超級(jí)電容器電化學(xué)性能。

超級(jí)電容器的基本原理及分類(lèi)

本小節(jié)主要對(duì)超級(jí)電容器的電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行介紹，在超級(jí)電容器中能量主要存儲(chǔ)與電極與電解質(zhì)界面中，這種儲(chǔ)能方式儲(chǔ)能機(jī)理與使用的電極材料有很大關(guān)系，當(dāng)一種超級(jí)電容器的兩個(gè)電極使用了不同種類(lèi)的材料，在這種情況下，對(duì)產(chǎn)品儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行綜合分析將不能全面理解超級(jí)電容器工作原理，基于此，本節(jié)將首先對(duì)超級(jí)電容器的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹；然后對(duì)不同電極-電解質(zhì)界面儲(chǔ)能機(jī)制進(jìn)行闡述，并根據(jù)電極及電解液不同對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行分類(lèi)，并介紹超級(jí)電容器一些電性能特征。

一、超級(jí)電容器工作原理

如圖1所示，超級(jí)電容容器主要由集流體、電極、電解質(zhì)以及隔膜等幾部分組成，其中隔膜的作用和電池中隔膜的作用相同，將兩電極隔離開(kāi)，防止電極間短路，允許離子通過(guò)。超級(jí)電容器儲(chǔ)能的基本原理是通過(guò)電解質(zhì)和電解液之間界面上電荷分離形成的雙電層電容來(lái)貯存電能。

請(qǐng)輸入圖片描述

圖1：超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

二、能量存儲(chǔ)機(jī)制

用于超級(jí)電容器電極和電解液制造生產(chǎn)的材料較多，為了深入的理解超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)機(jī)制，并對(duì)超級(jí)電容器的性能進(jìn)行優(yōu)化，通常需要利用循環(huán)伏安曲線(xiàn)和恒流放電兩種實(shí)驗(yàn)來(lái)表征不同超級(jí)電容器電極性能。圖2給出了不同能量存儲(chǔ)機(jī)制下，超級(jí)電容器電極循環(huán)伏安及恒流放電曲線(xiàn)，其中a、c分別表示雙電層電容、贗電容儲(chǔ)存機(jī)制下，超級(jí)電容器電極的循環(huán)伏安曲線(xiàn)及恒流放電曲線(xiàn)；b、d分別表示法拉第電容儲(chǔ)存機(jī)制下電容，超級(jí)電容器電極的循環(huán)伏安曲線(xiàn)及恒流放電曲線(xiàn)。

請(qǐng)輸入圖片描述

圖2:不同儲(chǔ)存機(jī)制下雙電層電容循環(huán)伏安曲線(xiàn)及恒流放電曲線(xiàn)

1.雙電層電容儲(chǔ)存機(jī)制

雙電層效應(yīng)是正、負(fù)電荷分離，分別在電極-電解質(zhì)界面積累而形成。是活性碳、碳纖維、碳?xì)值忍疾牧铣?jí)電容器能量存儲(chǔ)的主要機(jī)制。雙電層效應(yīng)的形成，主要是由電極表面高能導(dǎo)帶電子增加或者減少，引起界面?zhèn)入娊赓|(zhì)溶液中正負(fù)電荷移動(dòng)，用以平衡電極表面高能導(dǎo)帶電子變化帶來(lái)的電荷不平衡而形成。

考慮到電極表面電荷密度，取決于外加電壓，雙電層電容因電壓不同而不同，雙電層電容中電化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在電極表面，且通常是陰陽(yáng)離子的吸附與脫附行為。雙電層電容的循環(huán)伏安曲線(xiàn)呈現(xiàn)矩形形狀如圖2（a）所示，這類(lèi)材料的恒流放電曲線(xiàn)呈線(xiàn)性關(guān)系,如圖2（c）所示。

雙電層效應(yīng)發(fā)生在電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體界面，幾乎所有的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)都存在該現(xiàn)象。然而，在電解槽、燃料電池、電池中通常被認(rèn)為是一種副反應(yīng)，不被看作為主要能量存儲(chǔ)機(jī)制。相反，超級(jí)電容器工作原理正是基于該效應(yīng)，這就要求超級(jí)電容器在設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中要盡量最大化該效應(yīng)。

2. 贗電容儲(chǔ)存機(jī)制

贗電容也稱(chēng)法拉第準(zhǔn)電容，是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附，脫附或氧化，還原反應(yīng)，產(chǎn)生和電極充電電位有關(guān)的電容。是金屬氧化物、金屬碳化物、導(dǎo)電聚合物超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)的主要機(jī)制，盡管這些反應(yīng)與電池中反應(yīng)很相似，兩者電荷都經(jīng)過(guò)了雙電層電容，不同的是贗電容的形成更多的是由特殊的熱力學(xué)行為導(dǎo)致的。贗電容的循環(huán)伏安曲線(xiàn)、恒流放電曲線(xiàn)與雙電層電容相似。與雙電層電容不同的是，贗電容能量密度較高，但受限于電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及反應(yīng)的不可逆性，導(dǎo)致贗電容的充放電功率、循環(huán)壽命都比雙電層電容要小。需要指出的是，由于活性官能團(tuán)的存在，大部分超級(jí)電容器電極都存在著贗電容，比如，由石墨烯等納米材料組成的雙電層電容電化學(xué)響應(yīng)，主要是由碳材料缺陷引起的氧化還原反應(yīng)形成。