发展中的电化学电容器毕业论文

超级电容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名电化学电容器(ElectrochemicalCapacitors)，双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。电容分类根据储能机理的不同可以分为一下两类：双电层电容：是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。法拉第准电容：其理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中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脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。突出特点（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上；（2）环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；（4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；（8）检测方便，剩余电量可直接读出；（9）容量范围通常0.1F--1000F。

超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

电化学电容器（Electrochemical Capacitor, EC），又称作超大容量电容器（Ultracapacitor）和超级电容器（Supercapacitor）。它是一种介于电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比，电化学电容器具有更高的比容量。与电池相比，具有更高的比功率，可瞬间释放大电流，充电时间短，充电效率高，循环使用寿命长，无记忆效应和基本免维护等优点。因此它在移动通讯，消费电子，电动交通工具，航空航天等领域具有很大的潜在应用价值。电化学电容器的单元由一对电极，隔膜和电解质组成，两电极之间为电子阻塞离子导通的隔膜，隔膜及电极均浸有电解质。用于电化学电容器电极材料的主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。碳基材料是目前工业化最成功的超级电容器电极材料，近来的研究主要集中在提高材料的比表面积和控制材料的孔径及孔径分布。目前的碳基材料主要有:活性炭粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管、纳米碳纤维等。碳基材料性能稳定,价格便宜,但电极内阻较大,不适合在大电流下工作。金属氧化物主要集中在二氧化钌(RuO2)的研究上，其电导率比碳基材料大两个数量级,且在硫酸溶液中稳定,比电容高达768 F/g ,是目前较理想的金属氧化物电极材料，但其昂贵的价格限制了它的广泛应用。因此寻找一种性能稳定，价格低廉的电极材料成为电化学电容器研究的一个热点。研究发现Co(OH)2可以作为电化学电容器的替代材料，其比容量小于200F/g，而且制备过程复杂。掺杂Al可以提高活性物质的电化学性能，有利于保持电极材料在充放电过程中的结构稳定。因此在Co(OH)2中掺杂Al，形成Co-Al双氢氧化物结构的电极材料，将其用于超级电容器，将会提高超级电容器的比容量，循环寿命等电化学性能，更重要的是Co-Al的使用降低了制造成本，使大规模应用成为可能。