电化学电容器的发展之路-在能源领域的强大补充-Meetyou Carbide

电容器的概念已经存在了很长时间。它最初被称为莱顿瓶。它的原型是一个装有水解酸电介质的玻璃瓶。浸在酸中的导体和涂在玻璃瓶外侧的金属箔用作两个电极。介于两者之间的玻璃用作电介质材料，如图1所示。Berker于1757年申请专利，描述了原电池中的电能是由浸在含水电介质多孔碳中的双电池中存储的电荷存储的物质界面。什么是电化学电容器（又名超级电容器）？首先要提到的是由oxide氧化物薄膜系统和碳双层形成的大容量电容器（每克法拉容量）。如此大的充电容量如何实现？接下来，我们将了解发生了什么。

图1莱顿瓶的原理和物理图

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一，分类与原则

众所周知，电化学电容器具有以下几个显着特征：高功率密度（快速充电和放电，二阶），长循环寿命和相对较大的能量密度（略小于锂离子电池），所有这些都取决于能量存储机制。根据储能原理，电化学电容器一般分为双电层电容器和法拉第钽电容器。当然，将两者混合在一起也称为混合电容器。它们各自的能量存储机制是什么，它们与锂离子电池有何不同？下面我们简要了解一些基本的能量存储原理以及与锂离子电池的区别，如图2所示。

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图2双电层电容器，法拉第钽电容器和锂离子电池的基本组成和储能机理比较

在双电层电容器中，电荷集中在表面附近的区域中，在电解质中吸引正离子和负离子，因此在电极和电解质之间形成静电场以进行能量存储。两个极都有正负电荷对，因此称为双电层电容器。该反应是高度可逆的物理吸附，极好的循环稳定性（> 100,000次），充放电速度极快，但由于电荷有限，能量不高。在法拉第钽电容器中，电荷穿过电极电解质的界面，并且电极中或嵌入电极中的可变价物质的表面引起氧化还原反应，与电解质中的离子结合以实现电荷的存储。储能机制不同于传统的双电层储能。由于这些氧化还原反应中的一些是在电极表面上的快速可逆反应，并且一些是具有一定相变的嵌入反应，因此循环稳定性比双电层电容器差，但是存储的能量得到改善。对于锂离子电池，其主要依靠电解质中的锂离子在充电和放电期间嵌入和除去在正极和负极的层状结构中以实现电荷的存储和释放。在这种机制下，存储的能量非常大，但是由于相变过程，电荷转移速度慢，结构容易塌陷，因此循环性能不高。

2.结构与发展

电化学电容器的基本结构在图2中示出。如图2所示，主要包括电极，电解质和在两个电极之间绝缘的隔板。电极材料和电解质是两个最重要的组成部分，获得的研究非常系统。下面简要介绍主要电极材料和电解质的研究进展。

电极材料

电极材料的研究已经非常成熟。大多数原始的双电层电容器都使用碳材料，例如多孔碳，碳纤维，碳纳米管和石墨烯。尽管碳材料的容量小且能量密度低，但是其在导电基板上的负载可能非常高，这使其在商业化领域中得到了广泛而深入的应用。当然，研究人员最近已开始活化碳材料以获得更高的能量密度，这有望显着提高商业级碳的性能水平。

由于碳材料的电容有限且能量存储不足，钽电容器已逐渐成为研究热点。探索的主要材料包括金属氧化物，导电聚合物，金属氮化物，以及最近对热金属碳化物的研究。最早被广泛研究的是氧化钇，它具有优异的电化学性能，但由于其产量低，价格高而逐渐受到关注。许多金属氧化物具有优越的性能，但是具有导电性差的缺点，这极大地影响了电化学电容器的快速充电和放电特性。导电聚合物的导电性优于大多数金属氧化物，并且性能相似，但是存在循环稳定性差的问题。金属氮化物具有优异的导电性和良好的储能能力，但是在电化学循环期间容易被氧化以降低导电性，并且不能保证循环性能。近年来，金属碳化物或碳氮化物及相应的层状材料（例如Mxene等）受到研究人员的广泛关注，并具有很大的发展潜力。

电解液

电化学电容器的电解质系统随着电极的发展逐渐成熟。从大分类的角度来看，电解质主要包括水性电解质和有机电解质。水性电解质包括酸，酸和中性，并且具有高的离子传导性，但是受水的分解电压极限（1.23V）的限制，并且其工作电压低。水基电解质在科学研究中使用更多，但商业产品很少。有机电解质的类型相对较大，其最大特点是极限电压远远高于水性电解质的极限电压（2.7-3.7 V）。因此，高工作电压可以帮助超级电容器大大提高其能量密度。在商用电化学电容器中，使用了绝大多数有机电解质。

电化学电容器结构的发展

随着研究工作的深入和特殊性，电化学电容器的器件形状也发展了很多。如图3所示，首批市售的超级电容器主要是缠绕型和纽扣型（结构与传统电池相同）。

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图3绕组和按钮型超级电容器

随着需求的逐渐增加，用于硬质基底的电化学电容器的应用表面存在一些缺陷。柔性便携式超级电容器已成为研究热点。主要的进步是基板是一种柔性导电材料，例如碳布，复写纸，泡沫镍，柔性金属片和自支撑碳纳米管等，如图4所示。

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图4用于多个柔性超级电容器的柔性电极材料

柔性超级电容器可以实现储能单元的方便携带，而柔性电化学电容器如图1所示。 5同时驱动电子表作为表带。

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图5二维柔性超级电容器的一些应用

此外，当涉及可穿戴设备时，二维柔性基板仍不足以满足编织的任何需求。此时，一维线性超级电容器也已经开发出来。可以通过使用这些线性超级电容器来实现服装的有效编织，如图6所示。

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图6一维线性超级电容器的编织显示

3.未来与前景

超级电容器的未来将如何发展？它是一种能量存储设备，但是由于其原理限制，存储容量很难超过电池（如果大于超级电容器），则其效果不应与电池相同，而应用作电池。主电源的强大补充。在这种情况下，其发展自然取决于需求。当使用太阳能或风能来存储能量时，其功率会增加；当用作备用电源时，其能量存储将最大化。简而言之，就是要顺应需求。

相信在不久的将来，电化学电容器将成为诸如电池等日常生活中必不可少的物品，并成为我们的好帮手！