超級(jí)電容器是一種介于普通電池和電容器之間的新型儲(chǔ)能元件，本文簡單介紹了超級(jí)電容器的原理和特點(diǎn)，并重點(diǎn)闡述了超級(jí)電容器電極材料和電解液的特點(diǎn)，包括：碳電極材料、金屬氧化物材料和導(dǎo)電聚合物材料以及水體系電解液、有機(jī)體系電解液和離子液體電解質(zhì)等，并對(duì)其未來應(yīng)用和發(fā)展方向提出了展望，認(rèn)為其在混合動(dòng)力汽車方面應(yīng)用空間很大。

前言

超級(jí)電容器即電化學(xué)電容器,是近年來發(fā)展起來的一種新型電能儲(chǔ)存元件。由于其具有優(yōu)良的充放電性能以及傳統(tǒng)物理電容器所不具有的大容量儲(chǔ)能性能，同時(shí)，又因其質(zhì)量輕，高功能密度、循環(huán)壽命長、充放電速度快、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，所以被人們廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，包括電動(dòng)汽車、傳感器、電腦存儲(chǔ)器的備用電源（UPS）、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等，特別是鋰離子電池-電容器混合動(dòng)力汽車的出現(xiàn)，使得超級(jí)電容器顯示了其前所未有的應(yīng)用前景。

1超級(jí)電容器的原理

超級(jí)電容器(Supercapacitor)，又叫雙電層電容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、電化學(xué)電容器(ElectrochemcialCapacitor，EC)，它是一種電能儲(chǔ)存元件，但在儲(chǔ)能的過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)能過程完全可逆，這與普通電池有很大差別。工作時(shí)，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)符號(hào)相反的過剩電荷，從而使相間出現(xiàn)電位差。那么，假如在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極，并在其間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場的用途下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng)，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層[1]。

2超級(jí)電容器的特點(diǎn)

超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能元件，與電容器和普通蓄電池相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)[2]：

（1）安全系數(shù)高，可長期使用，不要維護(hù)，而普通蓄電池要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)。

（2）循環(huán)壽命長。循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬次，而普通蓄電池的充放電壽命很難超過1000次。

（3）功率密度高，最高可達(dá)5000W/kg，相當(dāng)于電池的10倍以上。

（4）充電速度快。充電時(shí)，在10秒至10分鐘內(nèi)可達(dá)額定電倍量的90%以上，而普通電池充電時(shí)間一般要幾個(gè)小時(shí)；

（5）工作溫度范圍寬，可在-30℃至60℃溫度范圍內(nèi)正常工作。

（6）超級(jí)電容器用的材料是安全的和無毒的，是一種理想的綠色環(huán)保能源。

綜上所述，超級(jí)電容器與傳統(tǒng)動(dòng)力電源相比有許多優(yōu)點(diǎn)，具體見表1所示：

3超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)研究與發(fā)展

超級(jí)電容器重要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中電極和電解液是電容器的核心部件。目前對(duì)超級(jí)電容器的研究重要是針對(duì)電極材料和電解質(zhì)的研究。

3.1電極材料的研究與發(fā)展

碳材料是最早用于制作超級(jí)電容器的材料，碳電極電容器重要是利用儲(chǔ)存在電極和電解液界面的雙電層能量，其比表面積是決定電容器容量的重要因素。近年來對(duì)碳電極的研究重要集中在提高碳材料的比表面積和控制碳材料的孔徑上面，重要有：活性碳材料、多孔碳材料、活性碳纖維以及碳納米管等。碳電極材料是目前應(yīng)用最廣泛的電極材料，但是它的成本過高，占到產(chǎn)品總成本的30%以上，這直接導(dǎo)致了超級(jí)電容器成本過高，所以在一定程度上限制了超級(jí)電容器的應(yīng)用推廣，所以尋找和研究廉價(jià)的電極材料是目前超級(jí)電容器研究的重點(diǎn)。

金屬氧化物作為超級(jí)電容器的電極材料重要以貴金屬氧化物，對(duì)貴金屬氧化物電極的研究，重要采用RuO2、IrO2等貴金屬作為電極材料[3]。由于RuO2電極的導(dǎo)電性比碳電極好，且電極在硫酸中穩(wěn)定，可以獲得更高的比能量，所以制備的電容器比碳電極電容器具有更好的性能。同樣，由于貴金屬氧化物價(jià)格昂貴限制了它的應(yīng)用。尋找廉價(jià)的金屬材料代替貴金屬材料是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的重要方向，其中MnO2具有代表性，由于其資源豐富、價(jià)格便宜，越來越受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

導(dǎo)電聚合物作為一種新型的電極材料，具有高性能和比貴金屬材料更加優(yōu)越的電性能，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的聚合物結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步優(yōu)選提高聚合物的性能，從而提高電容器的性能。目前研究重要集中在尋找優(yōu)良摻雜性能的導(dǎo)電聚合物，其中具有代表性的有聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等導(dǎo)聚合物材料。

3.2電解液的研究與發(fā)展

水溶液體系電解液是最早應(yīng)用于超級(jí)電容器的電解液，重要有酸性電解液、堿性電解液、中性電解液組成。其中酸性電解液多采用36%的硫酸水溶液作為電解質(zhì)；堿性電解液通常采用氫氧化鉀、氫氧化鈉等強(qiáng)堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑；而中性電解液通常采用氯化鈉、氯化鉀等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。水溶液電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是電導(dǎo)率高，電容器內(nèi)部電阻低，電解質(zhì)分子直徑較小，容易與微孔充分浸漬，但缺點(diǎn)是水系電解質(zhì)分解電壓低，低溫性能較差，且酸性和堿性電解質(zhì)普遍具有腐蝕性，包裝較困難，對(duì)超級(jí)電容器的包裝材料要求較高，制備費(fèi)用成本較高[4],這大大限制了水系電解液在超級(jí)電化學(xué)電容器方面的應(yīng)用發(fā)展。

電化學(xué)電容器有機(jī)電解質(zhì)體系重要由有機(jī)溶劑和支持電解質(zhì)構(gòu)成，其中有機(jī)溶劑重要包括碳酸丙烯酯（PC）、乙腈（AN）、碳酸乙烯酯（EC）、N,N二甲基甲酰胺（DMF）、甲乙基碳酸酯（EMC）、碳酸二甲酯（DMC）等。支持電解質(zhì)中陽離子重要包括季銨鹽系列、鋰鹽系列，而陰離子重要是六氟磷酸根、四氟硼酸根等。其中高氯酸鋰（LiClO4）、四氟硼酸鋰（LiBF4）、六氟磷酸鋰（LiPF6）、四氟硼酸四乙基銨（TEABF4）等鹽類是比較常用的有機(jī)電解質(zhì)。有機(jī)電解質(zhì)體系的超級(jí)電容器具有價(jià)格低、制備工藝簡單成熟，并且性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在未來數(shù)年之內(nèi)仍將是超級(jí)電容器市場的主流產(chǎn)品。

離子液體是一種在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)的離子化合物，在這種液體中，沒有中性分子，是由100%的陰、陽離子組成。離子液體的陽離子有四類：烷基季銨離子[NRxH4-x]+；烷基季磷離子[PRxH4-x]+；N,N-二烷基取代的咪唑離子[RRim]+；N-烷基的吡啶離子[RPy]+。離子液體陰離子重要由BF4－，PF6-，N（FSO2）3-，C（CF3SO2）3-構(gòu)成。離子液體電解質(zhì)具有穩(wěn)定、不易燃、較寬的穩(wěn)定溫度范圍、非揮發(fā)性、易于分離等優(yōu)點(diǎn)[5]。咪唑類離子液體電解質(zhì)具有黏度低流動(dòng)性好、電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，目前研究較為廣泛，已逐步投入應(yīng)用。而雙三氟甲基酰胺離子液體由于具有導(dǎo)電性能好，電化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和廠家已開始將雙三氟甲基酰胺離子液體作為研究的重點(diǎn)，并開始產(chǎn)業(yè)化。

4超級(jí)電容器的應(yīng)用和發(fā)展

目前超級(jí)電容器已在油氣混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、車輛低溫起動(dòng)、軌道車輛能量回收、電動(dòng)叉車、大型起重機(jī)、太陽能和風(fēng)能等領(lǐng)域得到了具體的應(yīng)用。另外，近年來隨著人們對(duì)超級(jí)電容器在計(jì)算機(jī)內(nèi)存?zhèn)溆秒娫碪PS和低頻濾波器上應(yīng)用的認(rèn)識(shí)不斷提高，超級(jí)電容器的發(fā)展水平也迅速提高，目前，超級(jí)電容器逐步進(jìn)入電動(dòng)汽車用電容器-鋰離子電池混合動(dòng)力電源系統(tǒng)和低溫功率輔助啟動(dòng)系統(tǒng)中。另外，作為電網(wǎng)系統(tǒng)的后備電源，當(dāng)出現(xiàn)短時(shí)間電源不足時(shí)使用將是廣闊的應(yīng)用空間。

在國內(nèi)，隨著超級(jí)電容器技術(shù)的日益成熟和對(duì)購買新能源汽車補(bǔ)助政策的執(zhí)行，超級(jí)電容器-鋰離子電池混合動(dòng)力汽車將迎來更加廣闊的發(fā)展機(jī)遇，鋰離子電池為電動(dòng)汽車供應(yīng)持續(xù)動(dòng)力，而超級(jí)電容器在啟動(dòng)和爬坡階段供應(yīng)強(qiáng)大動(dòng)力，并且在下坡和剎車時(shí)快速儲(chǔ)備動(dòng)力，二者協(xié)同工作為混合動(dòng)力汽車供應(yīng)動(dòng)力。在2010年世界車市場銷售統(tǒng)計(jì)中，傳統(tǒng)燃油車依然高達(dá)88.5%，混合電動(dòng)汽車已有10%左右，預(yù)期至2020年，傳統(tǒng)燃油車會(huì)下降至44%，混合動(dòng)力汽車將上升至50%左右。同時(shí)，國內(nèi)報(bào)道，至2015年我國市場混合動(dòng)力汽車銷量將達(dá)到74萬輛，市場上升率為18%，這說明在國內(nèi)混合動(dòng)力汽車發(fā)展前景越來越大。據(jù)悉，截止到2015年，上海新能源汽車產(chǎn)業(yè)將達(dá)到900億元規(guī)模。

5結(jié)束語

作為新型的儲(chǔ)能技術(shù)，超級(jí)電容器技術(shù)得到大家越來越多的關(guān)注和研究，因具有安全、高能量密度、寬溫、環(huán)保等優(yōu)良性能，超級(jí)電容器應(yīng)用越來越廣泛，大到混合電動(dòng)汽車，小到電子元件、UPS電源等。超級(jí)電容器的電極目前重要以碳電極和貴金屬氧化物電極為主，雙三氟甲基酰胺離子液體由于具有導(dǎo)電性能好，電化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和廠家已開始將其作為研究的重點(diǎn)，并開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

目前，開發(fā)和研究新的并且價(jià)格低廉電極材料和電解質(zhì)材料以滿足高電壓和高低溫性能是未來超級(jí)電容器的重要研究方向，而其在混合電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。