摘要：一方面分析作为电极的炭材料存储能量的机理，另一方面描述了超级电容器在活性炭粉、活性炭纤维和炭气凝胶等材料方面的研究。本文研究炭材料在物理结构和化学方面对超级电容器电化学性质功能的影响因素，以及对超级电容器在炭极材料方面的研究前景进行了简单的阐述。
关键词：超级电容器；炭材料；电极
引言
超级电容器是存在于传统电容器和充电电池之间的一类新颖的储能设备，其中的容量可以达到几千法拉。与传统电容器和蓄电池相比，超级电容器具有使用寿命长、静电容量大、功率密度高、设备环保无污染等优势。依据电能的储存和转化的原理不同，超级电容器分为双电层电容器、法拉第准电容器。双电层电容器具有成本低、使用寿命长等优点，法拉第准电容器在比能量方面具有优势。不难看出，炭电极材料是学术界和工业界公认的超级电容器电极材料。
1炭材料存储能量的原理
以炭材料作为超级电容器的电极材料，其实就是双电层电容器，储存能量的过程就是经过界面双层储存的电荷得以实现的。当施加的电压在电解质溶液分解电压之下时，电解质溶液中的正负离子会在施加电场的影响下急速移向两极，在正负两极的表面分别产生致密的双电层，与此同时，电荷就储存在电极与电解质溶液的界面中，不会产生移动的现象。
2 炭材料作为电极的分类
在1957年，炭材料最早被用作超级电容器的电极材料。随着研究和探索的不断进步和演化，当前作为超级电容器电极材料的炭材料有活性炭粉、活性炭纤维、炭气凝胶、炭纳米管、石墨烯这五个种类。
2.1活性炭粉
活性炭粉在超级电容器电极材料中的应用范围是最广泛的，其工业生产和使用年代也是最久远的。当前，一直用作生产活性炭粉的原料有植物体、矿物体、人造材料和工业废料四个方面组成。在活性炭粉原料的选择上需要将生产成本、灰分含量、导电性能等方面的原因考虑进去，当前应用相对广泛的超级电容器活性炭原料大多数是椰壳、针状焦和纤维树脂等种类。
2.2活性炭纤维
活性炭纤维是在活性炭粉的基础上研发的具有吸附能力强的炭电极材料。在活性炭纤维的表面有众多敞开的微孔，从而大大增强了吸附能力。因为活性炭纤维在炭化收率、导电性能、孔道构造等方面都具有优势，从而作为双电层电容器的理想电极材料。
2.3炭气凝胶
炭气凝胶具有较强的导电能力、较大的比表面积、较广的密度变化等优点，是一类新型的纳米材料。炭气凝胶中特别的网状构造是由纳米炭颗粒在三维立体空间中彼此接连、相互叠放堆积形成的，从中产生了大量的中型微孔和大型微孔。炭气凝胶作为超级电容器的电极材料具备众多的优势，但由于制取技术、生产成本和建筑规模等因素的影响大大限制了炭气凝胶规模化和商业化的发展进程。
2.4炭纳米管
炭纳米管是一种一维的炭材料，是纳米级的管状结构炭材料，具备优良的导电性能、高比表面积和适宜电解质溶液中离子转移的空隙构造等方面的优势，作为高比功率型的电极材料。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一方面，相对活性炭粉，炭纳米管的比表面积较小，制约了炭纳米管的推广应用和发展；另一方面，较高的纯度标准、较高的制取成本和容易聚集成团等要求和现象，也阻碍了炭纳米管在实际中的广泛使用。
2.5石墨烯
石墨烯是一种二维的炭纳米材料，具有较高的比表面积、较好的导电性能和化学性相对稳定等优势，在超级电容器的使用中应用广泛。石墨烯还具有使用寿命时间长、操作方法简便、较低的成本等优点，并且活化后的石墨烯在性能表现上尤为突出，在较短时间内能够完成石墨烯的大规模生产。
3炭电极材料在物理构造和化学性质方面对超级电容器性质功能的影响
依据双电层电容器的使用原理，应用在超级电容器电极的炭材料应当具备较大的电荷吸附性、方便电解质溶液的浸润、有利于离子迅速移动的空隙构造等优势。同时，炭材料的比表面积、孔径分布和表面官能团等物理化学特性是影响超级电容器电化学性能的重要因素。
3.1比表面积
理论上，电极材料的比表面积增大，储存电荷和离子的活性位就增多，超级电容器的比电容值也随之增多，在实际的应用中两者没有呈现线性关系。在一些实际的应用中，有些孔径较小且比表面积较小的电极材料的比电容性反而较高，可见计划改良超级电容器炭电极材料的性质和功能不能只注重增加比表面积，应该结合众多的物化特性进行研究。
3.2孔径分布
一般情况下，活性炭在水相中比在有机相中的比电容性要高，因为有机相中的电解质离子电解体积比水相的电解质离子电解体积要大，致使其中的电解质离子不能够进入到孔径较小的孔道之内，不断降低炭材料的有效活性。可见，当电解质溶液离子的大小和炭材料的孔径大小相互合适的时候，炭电极材料的比电容值达到最大值。
3.3表面官能团
影响超级电容器电化学特性的重要因素之一就是表面官能团。一方面有机官能团可以改善炭电极材料的表面浸润能力，增大法拉第准电容；另一方面有机官能团会加大电极的电阻和漏泄电流，造成电容器储能降低的现象。可见，适当含量和构造的官能团对电容器的综合特性有着非常关键的作用。
结语
总而言之，随着新型超级电容器的研究和发展，在效率、功率、可靠性等方面都得到了很好的提高和进步，极大程度上代替和补充传统电池的使用。
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作者简介
荆葛（1985-11-01），男，汉族，籍贯：山东省青岛市，学历：本科，研究方向：超级电容器。
论文作者:荆葛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/30
标签：电容器论文; 电极论文; 材料论文; 活性炭论文; 表面积论文; 电解质论文; 官能团论文; 《电力设备》2017年第16期论文;