超级电容器分类介绍
一般认为超级电容器包括双电层电容器和电化学电容器两大类。
(1)双电层电容器
双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件,当电极与电解液接触时,由于库仑力、分子间力、原子间力的作用,使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷,称为界面双层。
双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料,有活性炭(活性炭粉末、活性炭纤维)、碳气凝胶、碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙率有关。通常,孔隙率越高,电极材料的比表面积越大,双电层电容也越大。但不是孔隙率越高,电容器的容量越大。保持电极材料孔径大小在2-50 nm 之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积,从而提高电容。
(2)赝电容器原理
赝电容,也叫法拉第准电容,是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。由于反应在整个体相中进行,因而这种体系可实现的最大电容值比较大,如吸附型准电容为2 000×10-6 F/cm2。对氧化还原型电容器而言,可实现的最大容量值则非常大,而碳材料的比容通常被认为是20×10-6 F/cm2,因而在相同的体积或重量的情况下,赝电容器的容量是双电层电容器容量的10-100 倍。
目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。金属氧化物超级电容器所用的电极材料主要是一些过渡金属氧化物,如:MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、WO3、PbO2和Co3O4等金属氧化物作为超级电容器电极材料,研究最为成功的是RuO2,在H2SO4电解液中其比容能达到700-760 F/g。但RuO2稀有的资源及高昂的价格限制了它的应用。研究人员希望能从MnO2及NiO等金属氧化物中找到电化学性能优越的电极材料以代替RuO2。
用导电聚合物作为超级电容器的电极材料是近年来发展起来的。聚合物产品具有良好的电子电导率,其典型的数值为1-100 S/cm。一般将共轭聚合物的电导性与掺杂半导体进行比较,采用术语“p掺杂”和“n掺杂”分别用于描述电化学氧化和还原的结果。导电聚合物借助于电化学氧化和还原反应在电子共轭聚合物链上引入正电荷和负电荷中心,正、负电荷中心的充电程度取决于电极电势[9]。导电聚合物也是通过法拉第过程大量存储能量。目前仅有有限的导电聚合物可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学n型掺杂,如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。现阶段的研究工作主要集中在寻找具有优良的掺杂性能的导电聚合物,提高聚合物电极的充放电性能、循环寿命和热稳定性等方面。