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电化学电容器：储能超越电池A. K. Shukla*, S. Sampath and K. Vijayamohanan摘要：最近，一项新的可逆电化学能量储存系统已经被使用：（a）相关的电容充放电的电双层在电极电解液界面,称为双电层电容器，和（b）伪电容与电吸附或表面的还原反应称为伪电容器而双电层电容器以几十法拉每克的电极材料的容量在高碳粉注水量，人造纤维，粘附，更高的电容值与伪电容器完成某些高氧化物或雇用埋入导电聚合物上已经成功的应用这些电化学电容器已经被设想出了好几种应用方式去补充蓄电池这篇文章简要介绍了电解电容器的主要科学原理和技术应用它也强调了高分子材料科学和技术与电化学的结合扮演的重要的角色在这个新兴技术发展地区是一个实质性的范围从化石燃料的使用生长的关注,全球变暖以及资源耗竭,可再生能源将会得到不断的发展因此发展储存电能的方法是非常必要的电能可储存在两种截然不同的方法：(i) 间接地,在电池里可能具有需要感应电流的氧化来得到的化学能然后通过降低导电试剂来释放充电这样就可以在两个不同电极电势的电极之间流动来做电功， (ii) 直接的,通过静电的方式，就是负极和正极的电荷在电容器的面板上通过无感应电流的过程来储存电能。

一个蓄电池具有两种不同类型的活性材料嵌入到一个适当的导电的模型形成一个阳极和阴极来提供电池内的反应，而一个电容器由两个相同的电极夹着一个介质组成当电化学能储存在电池里时，电极材料的化学互变现象通常都伴有相变虽然整体能量的变化可以在相对可逆热力学路线中进行，一个蓄电池的充放电过程通常包含化学电极试剂的互变现象的不可逆性因此，随着电池类型的不同蓄电池使用寿命通常是有限的相比之下，电容器的能量储存，只是已经建立了充电和反向放电电容器板上的电子的过量和不足之处，没有化学变化关系因此，一个电容器有个无限的再循环能力，通常在105到106次之间但是，不像蓄电池，电容器只能储藏很少的电荷除非它们很大因此，电容器实质上有很低的能量密度然而，带电电极/ 溶液界面包含电容为16-50μFcm-2的双层面板，与易触及表面电极充分大的地区可实现高组分(1000-2000 m2/g)碳粉，粘附，气凝胶，电容量可达约~ 100 F/g 近几年中，切实已经发展出了一种新的电容器成为电化学电容器或超电容器目前，这种电容器已发展成能源设备来补充蓄电池在这篇文章中，简要描述了超级电容器的类型和电容的来源，它们的特点vis-à-vis一个可充电电池随着人们的设想应用。

超级电容器的种类和电容的来源当一个金属（或一个电子导体）接触一个固体或液体离子导体，一个实现静电电荷积聚两侧的界面，导致发展成一个双电层然而本质上一个分子介质在界面处没有发生电子的转移然后通过目前的观察这个过程本质上是由于电子的重新排列所产生的位移电流（传统描述为一个理想的极化电极）因此，这个过程实际上是非感应电流的另外，电荷的储存也是从电子转移中取得，电子转移则是通过在静电材料中发生氧化反应使状态改变符合法拉第定律中的电极电位中的关系（所谓理想的可逆电极）因此，这个过程实际上已感应电流的相应的，两种类型的超级电容器已经开发和测试一种操作是通过双电层的界面的充放电来进行第二种，通常称为伪电容器或氧化还原电容器，充放电的机理包括在相中电子的转移但是没有任何的相变体积的变化电子参与到非感应电流的双电层中的充电是金属或碳素电子的流动的导带电子，当电子参与到感应电流的过程中的是被转移过来的或是从阴极还原或阳极试剂的价电子态（轨道）中得到在伪电容器中，非感应电流的双层充电过程中通常伴随着感应电流的电子转移超级电容器的材料电容器的关键组成部位主要包括有电极，电解质和分离器制造超级电容器的电极材料的特点包括高可圈性，长期稳定性，较高的表面积，还有抗电化学氧化还原。

现在焦点似乎更多的集中在达到有较高的表面积的同时还有较低的电阻率碳素材料已经相当的流行由于它们具有很大的表面积高温处理活性碳的前驱物例如椰子壳，木头粉末，煤焦油，树脂和间苯二酚-甲醛和表面积在1000 -1500 m2 /g的相关聚合物产出的活跃的电子材料，就可以在碱性电解质中释放出能量为500 F/g另一类材料包括修饰碳和碳复合材料例如碳聚并苯，镀铂活性炭，聚金属氧酸盐修饰碳和电容值在150 -200 F/cm2之间的碳惰性颗粒材料除此之外，导电金属氧化物比如RuO2 和IrO2 产出的能量大约为150-250 μF/cm2 ，是碳基电容器的好几倍大这些伪电容器上的测试值被认为发生在表面的钌离子和质子事实上，基本上高比电容的测试值都在大约768 F/g就已经取得了 当溶胶凝胶派生无定型的RuOx.xH2O作为电极材料活化玻碳和高比表面积金是平面和延生范围的电极材料导电聚合物在碳和金属氧化物的辅料一个宽电压窗口通过衍生的聚噻吩在非水溶性的溶剂中然而，长期的稳定性仍然是个问题最近，氮化钼，钛和铁，碳纳米管和介孔碳材料已经被提出为超级电容器的潜在的电极材料超级电容器的电压窗口是通过pH值显示操作和电解液中各个不同种类的热力学稳定性。

水溶液有一个固有的缺点是在伏特窗口产生一个限制，就是其包括了水在电极表面的氧化还原反应碳电极材料，在酸性和碱性的环境中有很高的电容对于文献的初步探讨，大量的非水溶剂已经被检测过了碳酸丙烯脂，二甲氧基乙醇，碳酸二乙酯，1，3—二氧戊环，四氢呋喃，乙腈，丁二腈等各不同的组合已经报道说能大约产生10 Wh/kg 的能量密度当作为碳电极使用的时候使用的电解质有LiClO4，NaClO4, LiAsF6, BF-4, CF3SO-3 和四元磷盐选择电解质的必要要求为密封这导致使用固体聚合物电解质的时候通常都是离子键聚合物当阴离子与溶剂分子不协调时除非通过氢与羟基作为末端的供体聚醚溶剂例如聚氧化乙烯（PEO）通常都被当做塑化剂使用SCN-> I-> ClO4-> CF3SO3- 为非质子性溶剂的结合能力的比较含有（聚丙烯腈）—基的凝胶电解质已经提出可以替代含（聚氧化乙烯）—基的系统，会有很高的传导性和很好的机械性能，例如易于建造的，较好的弹性和较低的密度PEO ，PAN和有机玻璃（PMMA）的复合物，其电容已经达到约0.6 F/cm2这种电容器的能量密度为0.85 Wh/kg ，一个功率密度为300 W/kg 。

技术的开发近几年来，超级电容器的进步惊人例如，不同种类的陶瓷和高分子材料在电极和电解质的应用方面已经发展到可以制作成两种不同类型的超级电容器导电聚合物基电容器使用质子和锂的离子导电的固体电解质最近已经得到关注还有几个超级电容器的构件已经用polythiophine ，聚吡咯，聚苯胺制造然后它们的符合材料成功储能达到约200 F/g 通常超级电容器的电压都受制于电位窗的最大值水系统的范围通常为1.23 V ，但延长支持电解质和适当的不可逆转阳极和阴极的法拉第反应溶剂具有较高的阳极和阴极电位是一个明智的选择目前，非水系统的发展势头由于这种系统的能量密度增加凝胶电解质结合了固体聚合物电解质的随着非水系统的电压增加的优点然而，只有碳和RuOx 系统已经被商业化，而其他的还有不同阶段的发展几个碳的特点，例如高耐腐蚀性，接受电子传导性，活化后的高比表面积，在不同的形态具有很高的可塑性和合理的价格和与氧化钌的复合材料可以达到最大的电容（700 F/g ）尽管如此，在一个多孔碳电极的总电荷储存量不能再很短的时间内抽离出来，不同的介孔碳材料和碳纳米管在减轻这种限制上还有待发展技术应用超级电容器的主要应用主要是其负载均衡功能和充电电池，如铅酸电池在电动汽车驱动系统中的结合应用。

部分充电和整体能源经济也可以应用到超级电容器的再生系统超级电容器可以储存~ 10 Wh/kg 的能源是铅酸电池能量密度的三分之一但是超级电容器的功率密度几乎是铅酸电池的五倍大功率条件下，即高流量率，超级电容器可以释放出比铅酸电池更高的能量数据表明，超级电容器功率密度增加相对于能量密度的增加，呈现出一个更大的电容器元件此外，超级电容器也已经提出有过度功率和脉冲功率的应用，例如存储保护，汽车子系统，军事化系统等等同样的，它们在高能量，低能源的应用程序中有很高的价值想充电使用太阳能光伏板超级电容器必须要在一个很大的温度范围内和某些环境中运行，例如在封闭的隔间的电动车上或在军事上，同时也要在北部的山上这种冷的环境运行或在热带的热的环境下运行在高功率的工作条件下，内部产生的热量会使加热装置过热因此，工厂决定超级电容器的温度依赖性在超级电容器的各种应用的操作中有很重大的意义，例如，关于功率的可用性和循环寿命结论电化学电容器能够比常规电容器储存好几百倍的电荷电量它们都不同于电池，有很多类型的应用都有很大的优势电荷的状态是在电压下一个简单的运动，这与高功率密度和良好的循环寿命的耦合，是它们在重量轻的电子保险丝中有很好的应用，内存备份电源，智能武器脉冲电源的过载保护装置。

这种装置也有可能帮助全球过度到更多的节能技术。