超级电容器(Supercapacitors)，又称电化学电容器，是通过电极与电解液界面之间电化学反应来存储能量的器件，能够在短时间内完成充放电，是介于传统电容器和电池之间的高功率能量存储装置。区别于传统电容器，超级电容器的能量密度更高，功率密度更大，并且同时拥有传统电容器和充电电池能的很多优异性能，逐渐成为了一类重要储能器件，因其使用的电极材料具有更高的比表面积和法拉第反应形式的赝电容储能等优势，所以它具有更高的能量密度，相比于锂离子电池等二次电池的能量密度来说，超级电容器的能量密度仍需要不断研究提高。超级电容器因具有传统电容器的双电层储能机理，所以依然具有很高的功率密度。同时，超级电容器还具有传统电容器良好的长循环性能，还具有较宽的工作温度范围(-40-70℃)。超级电容器因其功率特性广泛应用于诸多行业，在交通运输、电子信息行业、以及在民用生活健康保障等方面都有广泛的应用

超级电容器主要由集流体、电极材料、电解液以及隔膜组成

(1)电极材料：电极材料又称电极活性材料，超级电容器的电极材料是整个器件的主体，往往决定着超级电容器的整体性能的优劣。一般情况下，理想的电极材料需要满足大比表面积、高电导率以及与电解液浸润性好等条件。常见的电极材料主要有：碳基材料、导电聚合物、金属氧化物等。

(2)集流体：集流体是电极材料的载体，集流体的主要作用是在充电和放电过程中从活性物质中高效的收集和传输电荷载流子。这就要求集流体与电极材料接触面积大，接触电阻小。此外，集流体还不能与电解液发生反应并且拥有很好的耐腐蚀性和化学稳定性。

(3)电解液：电解液主要可以分为有机电解液和水系电解液，是超级电容器很重要的组成部分，在一定程度上可以影响超级电容器的性能。水系电解液主要包括酸、碱和中性溶液，即以H₂SO₄、KOH、Na₂SO₄作为代表。有机系电解液主要由溶剂碳酸丙烯酯(PC)、丙烯腈(ACN)和溶质四乙基四氟硼酸铵(TEABF4)盐组成。有机系电解液电压窗口高达2.5-2.8V，可以提升超级电容器的能量密度。超级电容器的电解液应该具有稳定性好、电导率高、使用温度范围宽、环境友好和电解液中离子尺寸与电极材料孔径匹配等特点

(4)隔膜：隔膜位于超级电容器的正负极之间，其主要作用是将超级电容器的正负极完全隔离，以防超级电容器因正负极接触而短路。同时，隔膜还可以为电解液中的离子移动提供通道。作为超级电容器的隔膜必须具备以下要求：①不仅电解液离子在其中拥有最小的离子迁移电阻，还必须的具有很强的电子绝缘能力；②不能与电解液发生反应，具有较高的电化学和化学稳定性；③具有良好的机械强度，以提供器件的耐久性。常用的隔膜材料主要有聚合物膜(凝胶膜)、玻璃纤维和纤维素等^[1]。

与常规电容器和蓄电池相比较，超级电容器兼具普通电容器和电池的特性，并具有自己独特的优点。

(1)功率密度高。超级电容器内阻小，功率密度高，其最高功率密度可达2000W/kg左右，是蓄电池功率密度十倍以上。超级电容器可以短时间内进行大电流放电，能为需要大功率输出的设备供能。

(2) 能量密度高。相比于常规电容器能量密度小的缺点，超级电容器能量密度得到了大幅度提升，其能量密度可达到常规电容器能量密度的10-100倍。

(3) 使用温度范围宽。一般电池使用温度范围为-20-60℃，而超级电容器的使用温度范围更宽，在-40℃到70℃的温度区间内均可工作。并且由于超级电容器充放电过程发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以温度变化对超级电容器的容量影响不大。

(4) 循环寿命长。在循环过程中，超级电容器内部发生的是高度可逆的电化学反应，对活性物质结构影响小，循环寿命可达10万次以上。

(5) 充放电速度快。在大电流充放电情况下，超级电容器可以在短短几十秒中完成充放电过程，其充放电速度是蓄电池远远无法达到的。

(6) 放置时间长。二次电池会因为自放电的原因在久置的情况下导致容量下降，最终无法正常使用。而超级电容器的电压虽会随放置时间逐渐降低，但仍能保持电容器电量，且能重新充电到原状态，即使几年不用仍可保持原有的性能指标。

(7)环保，安全。超级电容器比大部分蓄电池都要安全，并且碳基超级电容器成本低，对环境基本无污染，是很好绿色能源。

超级电容器发展迅猛，其分类方式错综复杂，按照不同的标准有不同的划分方式。大致可以按照超级电容器储能机理、电解液类型、电解液状态、正负极活性物质是否相同、外形构造等不同对超级电容器进行分类。根据超级电容器活性物质的不同，超级电容器可以分为对称型和非对称型超级电容器。根据超级电容器的外形，可以将超级电容器分为纽扣型、圆柱形、箱式型、引线型、层状型、纤维型超级电容器。根据超级电容器的制备方法，将其分为丝网印刷型、3D打印型、喷墨打印、涂覆型、分子自组装型超级电容器等。根据电解液的类型，可以分为水系超级电容器和有机系超级电容器等。

优异的电极材料能给超级电容器带来良好的性能，这使人们对电极材料的新制备方法和结构演变产生了相当大的研究兴趣。电极材料必须具有明显的特点，如显著的比表面积、导电性、机械稳定性等。电极材料一般包括碳材料、金属化合物、导电聚合物等。为了实现高效电极的大规模研究，制备形貌特殊，掺杂/复合导电纳米材料等手段为发挥各自最大的优势奠定了基础。

(1)碳材料

碳材料作为电极材料具有显著的特性，如高比表面积、循环伏安结果异乎寻常的稳定性以及合理的孔径分布。碳基超级电容器依靠双电层电容来储存电能，拥有独特的化学和物理特性。石墨烯、碳纳米管、碳气凝胶、活性碳等碳材料都是用电化学储能市场上应用较为广泛的材料，在超级电容器发展过程中具有重要的意义。

(2)过渡金属化合物材料

具有多价态、快速电荷扩散、可逆的法拉第反应以及高理论容量特性的过渡金属化合物具有比碳材料更高的比电容和电压窗口。此外，过渡金属化合物的尺寸、形貌和晶相易于调控，有助于全面研究电极材料和电化学性能之间的关系。其中，RuO₂被广泛认为是具有应用价值的赝电容材料。但成本高、储量低，且对环境有害，因此难以在超级电容器中广泛应用。目前，对MnO₂、Co₃O₄、NiO、Fe₂O₃、Ni(OH)₂等过渡金属化合物的研究已成为研究重点和热点。

(3)导电聚合物材料导电聚合物(CPs)的导电率由贯穿聚合物主链的共轭键体系实现，从而允许电子以掺杂态传输，通过掺杂剂的插入来完成氧化还原反应，以提供电容行为。其中，聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、聚噻吩(PTh)和PTh衍生物因其良好的导电性、更低的带隙、环境友好性和柔性而成为超级电容器有吸引力的候选材料。然而，CPs基超级电容器中导电聚合物网络在离子重复掺杂-脱掺杂过程中易发生体积变化和结构坍塌，导致其循环稳定性较差^[2].

超级电容器按照电荷储存原理的不同可以分为三大类：双电层电容器(EDLCs)、赝电容器(PCs)和混合超级电容器。

(1)双电层电容器的储能机理较为传统，双电层电容器是利用电极材料与电解质溶液之间形成的双电层界面来储存能量的，在储能过程中吸脱附电解质离子且不发生化学反应。双电层电容器目前主要的电极材料包括活性炭、石墨烯、碳纳米管和碳纳米纤维等，它们具有比表面积大、导电性强、耐高温和不易腐蚀等优点。

(2)赝电容器的储能原理有明显不同，赝电容器的电解液中仍存在充放电阴阳离子电荷吸附作用，即也存在部分双电层形式储能，但其主要发生电极材料与电解质的氧化还原反应，此类氧化还原反应具有较快的反应速率，因而其仍然具有较快的充放电能力，快速的法拉第反应也使赝电容器具有更高的能量密度。常见的发生这类储能反应的电极材料有金属氧化物、金属氮化物和导电聚合物等材料。而混合型电容器的储能原理不言而喻，双电层原理储能和快速的法拉第氧化还原反应同时存在。它是由石墨烯或活性炭等双电层储能电极材料，与发生赝电容反应的电极材料组成的混合系统[]。

(3)混合超级电容器综合了以上两种类型器件的优势，因而具有更宽的工作电压和比电容，还具有较高的循环稳定性.尽管EDLCs与PCs两种电容器在功率密度、比电容量以及稳定性上有了很大提升，但是相较于锂离子电池，这两种超级电容器仍然受到自身能量密度低的制约，不能大范围商业应用的问题。为了解决这个问题，提高电容的工作电压以及电极材料的比电容量成为了备受青睐的两种研究途径。目前，最有效的方法就是构建混合超级电容器(HSCs)，即非对称超级电容器。将两个电极分别拥有EDLCs储能机制和PCs储能机制的超级电容器称为HSCs。HSCs可以利用多种电极材料的电势窗口来提升自身的工作电压。据HSCs能量密度的计算方程(E=0.5CV2)可知，HSCs的电压越高，其能量密度就越高[60]。因此，相较于单一的PCs或EDLCs，HSCs的整体性能最优。

18世纪中叶，德国牧师Ewald Georgvon Kleist和荷兰物理学家Pieter van Musschenbroek分别发明第一个电容器，称为“莱顿瓶”。它主要由两块金属箔片制成，且储存的电容量极少。到19世纪，德国物理学家von Helmholz利用胶体悬浮液制造了第一个电双层模型并提出电化学电双层机制。此后的几十年间，Chapman、Gouy及Grahame等多位电化学家陆续丰富了电双层理论知识，创立现代电双层电容理论。1957年，双电层电容器理论由Becker首次明确提出。利用多孔碳电极于含水电解.质中进行储能。然而，由于储存电荷较低，未能应用于商业。第一个商业化的电容器是Sohio公司于1969年制造而成。1978年，日本电气公司(NEC)第一次把名称为“Supercapacitor”的电容器用于半导体储能器件的备用电源及时钟芯片。随后，超级电容器在全世界得到大力发展并在电储能系统中发挥积极作用。我国也紧随世界潮流，在“十五”和“十一五”规划中纳入了超级电容器领域的各项研究。随着超级电容器行业的腾飞，我国已拥有相当完备的产业技术并建立了多家规模宏大的超级电容器生产公司。

由于超级电容具有高功率密度、工作温度范围广、充放电速度快、使用时间长等特点，超级电容有以下三种用途及应用。

(1) ；峰值输出协助

峰值输出协助是指像相机的闪光灯这种需要瞬间输出大电流的场合，通过超级电容来给电源补充功率。使用具有高输出电力的超级电容，将有望在电源原先小型化的特点上追加设备的高输出功能以及改善设备的性能。

应用：应用于LED闪光灯、小型DC电极设备、智能煤气・水表、RKE(遥控钥匙)等。

(2)backup用辅助电源

在设备中发生突然断电的情况的话，可使用作为backup电源用的超级电容。它具有工作时间长，比电池的ESR低，小型化的特征，实现了在有限空间内安装，高功率高输出电力的功能。

应用：应用于SSD、PLC等存储备份以及通信设备的last gasp。

(3)减轻电池负荷

电池中施加的负荷过大的话会让电池的电压变得不稳定，通过超级电容可以对电池进行协助来帮助电池减轻负荷。在通信设备和音响设备中实现了运作的稳定性且品质提高。

应用：应用于音频设备、各种通信设备、便携式打印机，安全设备和医疗设备等。

参考资料：

[1]袁伟. 聚苯胺基全固态超级电容器结构调控与功能化研究

[2]熊姗姗.钴基氧化物在超级电容器和电催化分解水中的应用

[3]张均磊.硬碳负极电极材料的制备及其在超级电容器和钠离子电池中的应用

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