超级电容器,是另外一种类型的电化学储能器件。与电池器件相比,它能够提供更高的功率密度(10kWkg-1)(图1),更短的充放电时间和更长的循环寿命。

图1 比功率相对比能量曲线
超级电容器最早的专利开始于1957年。但是,一直到二十世纪九十年代,由于混合电动汽车对高功率的需求才使得获得更多的关注。在混合电动汽车中,超级电容器可以为汽车的加速提供必要的功率,并且可以回收汽车在刹车过程中产生的能量。另外,超级电容器在与电池和燃料电池形成互补起到重要的作用。超级电容器可以提供备用的功率,从而避免电池供电过程中动力的中断。因此,对于未来的能源存储,美国能源部将超级电容器放到与电池同等重要的地位。
超级电容器也是电荷存储器件,它的结构与电池类似(图2)。超级电容器由两个电极、隔绝两个电极电子传导的隔膜和电解液组成。在超级电容器的组成部分中,最重要的部分之一是电极材料。根据电极材料存储电荷的机理不同,超级电容器可以分为双电层电容器和赝电容电容器两种。

图2 超级电容器结构示意图
对于碳电极材料,在充放电过程中碳电极材料的表面并不发生电化学反应,只是电荷以双电层的形式聚集在材料的表面,称为双电层电容。而对于一些过渡金属氧化物等电极材料,充放电过程中是通过电极材料表面发生氧化还原反应存储电荷,称为赝电容。
为了提高超级电容器的性能,超级电容器有很多挑战需要面对:(1)低能量密度;(2)高成本,如超级电容器中常用的RuO2电极材料价格昂贵;(3)高自放电。目前,在超级电容器碳电极及复合材料电极中,已经取得了很多的进步。为提高超级电容器的能量密度,降低成本,需要更多的低成本电极材料和新型复合材料的发展。
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