其他类型的超级电容器介绍

根据电极材料的不同,目前已经提出方案的超级电容器可以分为三类:炭电极双电层超级电容、金属氧化物电极超级电容和有机聚合物材料电极超级电容,下面分别介绍。

1.炭电极双电层超级电容

炭电极双电层超级电容(Double Layer Capacitor,DLC)主要使用多孔碳材料作为电极,比如活性炭或白炭黑的碳布、碳粉和碳纤维等。炭电极的主要优点在于材料来源广泛、成本低、加工技术成熟,活性物质表面积大。缺点是随着活性面积的增大,电极的稳定性和导通性有所降低。这种超级电容就是在本节前面所描述的超级电容类型。

2.金属氧化物电极超级电容

以金属氧化物为电极材料的超级电容利用法拉第效应来存储能量。这种电容器使用RuO2、IrO2等金属氧化物作为电极,充放电时,在电极上会发生一系列氧化还原反应。在充电时,电解液中的离子(一般为H＋或OH－)在外加电场的作用下,到达电极/溶液界面,而后通过界面的电化学反应[Ru(Ir)的化合价在4～6之间发生变化]进入电极表面活性氧化物的体相中;若电极材料是具有较大比表面积的氧化物,就会有相当多的这样的电化学反应发生,大量的电荷就会被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新回到电解液中,同时所存储的电荷通过外电路释放出来。

在电极的比表面积相同的情况下,金属氧化物超级电容器的电容是由无数微等效电容电路的网络形式形成的,其电容量直接与电极中的法拉第电量有关,所以这种电容器的比电容是双电层电容器的10～100倍,目前对这种电容的研究工作已经得到了各家研究机构的重视。

这种超级电容的缺点在于电极材料成本太高,对电解液有一定限制,电容的额定电压太低。

将这种超级电容技术和炭电极双电层超级电容技术结合起来,形成混合型超级电容,一方面降低了金属氧化物电极电池的过高成本,另一方面也解决了炭电极双电层超级电容比能量小的问题,俄罗斯在碳镍电极体系超级电容的研究方面取得了很大的进展。

3.有机聚合物材料电极超级电容

这种超级电容以有机聚合物材料作为电极材料,经过杂化处理,利用法拉第效应来存储能量。其作用机理是:通过在电极上的聚合物膜中发生快速可逆的n型或p型掺杂和去掺杂氧化还原反应,使聚合物达到很高的储存电荷密度,从而产生很高的法拉第准电容来储存能量。它较高的工作电位源于聚合物的导带和价带之间较宽的能隙。

这种超级电容的质量比能量和比功率都比较高,对这种超级电容的研究开发正在成为热点。这种超级电容的缺点在于有机聚合物材料容易产生膨胀变形,而长期循环充放电过程中会出现性能恶化,稳定性较差。