詳解超級(jí)電容器分類和儲(chǔ)能原理

超級(jí)電容器的構(gòu)造與鋰離子電池相近， 都是按照正極/隔膜/負(fù)極依次排列組裝而成。 其中正負(fù)極都是通過(guò)將活性物質(zhì)涂覆在集流體上后經(jīng)烘干并壓實(shí)而成， 隔離膜放置在正負(fù)極中間以避免正負(fù)極短路， 電解液作為離子傳輸?shù)妮d體。

隨著超級(jí)電容器研究方向的跨學(xué)科化和應(yīng)用場(chǎng)景的廣泛化， 超級(jí)電容器的種類日益增多。

按照儲(chǔ)能原理來(lái)區(qū)分：雙電層電容器、法拉第贗電容器和混合型電容器;按電極材料來(lái)區(qū)分：碳基電容器、金屬氧化物電容器和導(dǎo)電聚合物電容器;按照電極材料是否為同一種電極材料區(qū)分：對(duì)稱型電容器和混合型電容器;按照電解液種類來(lái)區(qū)分：有水系電解液電容器和非水系電解液電容器， 其中水系電解液電容器又有酸性、 中性和堿性水系電解液電容器之分。

不同于鋰離子電池通過(guò)氧化還原反應(yīng)讓鋰離子從正負(fù)極中反復(fù)嵌入與脫出來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存和釋放能量， 超級(jí)電容器儲(chǔ)能機(jī)理的基礎(chǔ)是雙電層理論。

外電場(chǎng)促使電解液中的正負(fù)離子分別在電容器的的負(fù)極/正極的固液界面上定向排列， 充電時(shí)電容器的正負(fù)極板表面集聚過(guò)剩電荷， 電解液中的相反電荷就會(huì)在正負(fù)極的固液界面定向排列，形成雙電層; 放電時(shí)正負(fù)極板通過(guò)導(dǎo)通的外電路發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移， 過(guò)剩電荷量減少， 相應(yīng)的固液界面的相反電荷回到電解液中， 從而實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。

法拉第贗電容器的儲(chǔ)能機(jī)理除了有雙電層電容器的儲(chǔ)能方式外， 還有氧化還原儲(chǔ)能方式， 即離子被吸附到正負(fù)極板上活性物質(zhì)的表面或嵌入活性物質(zhì)內(nèi)， 與周圍物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)， 這種方式?jīng)]有材料的相變， 有別于鋰離子電池中的鋰離子在正負(fù)極間的嵌入與脫嵌。

基于以上原理， 相比于傳統(tǒng)可充電電池， 超級(jí)電容器對(duì)于電極材料的需求有著自己獨(dú)有的特點(diǎn)，主要包括高的比能量、 高的比功率和長(zhǎng)的循環(huán)壽命。

就材料本身特性來(lái)說(shuō)， 需要其具有高的比表面積以及好的導(dǎo)電性和吸附性能。而碳基電極材料恰恰具備以上優(yōu)勢(shì)， 并且原料豐富廉價(jià)、 制備工藝簡(jiǎn)單、 孔隙狀態(tài)易調(diào)， 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、 導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好， 比表面積高、 循環(huán)性能優(yōu)異， 并且可作為基底與金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物組成復(fù)合物， 是目前應(yīng)用最廣 泛和商業(yè)化最成熟的超級(jí)電容器電極材料。

fqj