超級電容器即電化學電容器,是近年來發(fā)展起來的一種新型電能儲存元件。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能性能，同時，又因其質量輕，高功能密度、循環(huán)壽命長、充放電速度快、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，所以被人們廣泛應用到各個領域，包括電動汽車、傳感器、電腦存儲器的備用電源（UPS）、風力發(fā)電和太陽能發(fā)電等，特別是鋰離子電池-電容器混合動力汽車的出現(xiàn)，使得超級電容器顯示了其前所未有的應用前景。

　　1超級電容器的原理

　　超級電容器(Supercapacitor)，又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、電化學電容器(Electrochemcial Capacitor，EC)，它是一種電能儲存元件，但在儲能的過程中不發(fā)生化學反應，儲能過程完全可逆，這與普通電池有很大區(qū)別。工作時，插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，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超級電容器的特點

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

　?。?）安全系數(shù)高，可長期使用，不需要維護，而普通蓄電池需要經(jīng)常維護保養(yǎng)。

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

　?。?）功率密度高，最高可達5000W/kg，相當于電池的10倍以上。

　?。?）充電速度快。充電時，在10秒至10分鐘內可達額定電倍量的90%以上，而普通電池充電時間一般需要幾個小時；

　　（5）工作溫度范圍寬，可在-30℃至60℃溫度范圍內正常工作。

　?。?）超級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，超級電容器與傳統(tǒng)動力電源相比有許多優(yōu)點，具體見表1所示：

 

　　3超級電容器結構研究與發(fā)展

　　超級電容器主要由電極、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。目前對超級電容器的研究主要是針對電極材料和電解質的研究。

　　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電容器的材料，碳電極電容器主要是利用儲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。近年來對碳電極的研究主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，主要有：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，這直接導致了超級電容器成本過高，所以在一定程度上限制了超級電容器的應用推廣，所以尋找和研究廉價的電極材料是目前超級電容器研究的重點。

　　金屬氧化物作為超級電容器的電極材料主要以貴金屬氧化物，對貴金屬氧化物電極的研究，主要采用RuO2、IrO2等貴金屬作為電極材料[3]。由于RuO2電極的導電性比碳電極好，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格昂貴限制了它的應用。尋找廉價的金屬材料代替貴金屬材料是目前國內外學者研究的重要方向，其中MnO2具有代表性，由于其資源豐富、價格便宜，越來越受到了國內外研究者的廣泛關注。

　　導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，通過設計相應的聚合物結構，可進一步優(yōu)選提高聚合物的性能，從而提高電容器的性能。目前研究主要集中在尋找優(yōu)良摻雜性能的導電聚合物，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用于超級電容器的電解液，主要有酸性電解液、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；堿性電解液通常采用氫氧化鉀、氫氧化鈉等強堿作為電解質，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，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。水溶液電解質的優(yōu)點是電導率高，電容器內部電阻低，電解質分子直徑較小，容易與微孔充分浸漬，但缺點是水系電解質分解電壓低，低溫性能較差，且酸性和堿性電解質普遍具有腐蝕性，包裝較困難，對超級電容器的包裝材料要求較高，制備費用成本較高[4],這大大限制了水系電解液在超級電化學電容器方面的應用發(fā)展。

　　電化學電容器有機電解質體系主要由有機溶劑和支持電解質構成，其中有機溶劑主要包括碳酸丙烯酯（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。支持電解質中陽離子主要包括季銨鹽系列、鋰鹽系列，而陰離子主要是六氟磷酸根、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電解質。有機電解質體系的超級電容器具有價格低、制備工藝簡單成熟，并且性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因此在未來數(shù)年之內仍將是超級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]+。離子液體陰離子主要由BF4－，PF6-，N（FSO2）3-，C（CF3SO2）3-構成。離子液體電解質具有穩(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[5]。咪唑類離子液體電解質具有黏度低流動性好、電導率高等優(yōu)點，目前研究較為廣泛，已逐步投入應用。而雙三氟甲基酰胺離子液體由于具有導電性能好，電化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點，目前國內外許多研究機構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，并開始產(chǎn)業(yè)化。

　　4超級電容器的應用和發(fā)展