摘要：超级电容器作为产品已日趋成熟，与其他超级电容器相比超级电容器的工艺技术成熟度更优。随着生产工艺的不断进步，其应用范围也得到不断扩展，在工业、消费电子、通信、医疗、国防、军事、交通等领域都有着越来越广泛的应用和市场潜力。本文对超级电容器研究进展及应用进行分析。
关键词：超级电容器；研究进展；应用
超级电容器的发展始于20世纪60年代，作为一种新型储能器件，其主要介于传统电容器与电池间。与传统电容器比较可得，超级电容器具备电容量大（为2000-6000倍同体积电解电容器）、功率密度高（为10-100倍电池）、充放电电流量大、充放电循环次数高（大于105次）、充放电效率高、免维修等优点。
1超级电容器分类
就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。
就电能机理而言，超级电容器分为双电层电容器、法拉第准电容（贵金属氧化物及贵金属电极）；电容产生机理是以电活性离子在贵金属电极表面的欠电位沉积现象或在贵金属氧化物电极体相及其表面的氧化还原反应为依据的吸附电容。与双电层电容相比较，吸附电容完全不相同，此外，吸附电容的比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。
就超级电容器电极上的反应情况及结构而言，超级电容器可划分为非对称型及对称型。对称型超级电容器即为两个电极反应相同、组成相同、反应方向相反，例如贵金属氧化物、碳电极双电层电容器等。非对称型超级电容器即为两个电极反应不同、电极组成不同。
超级电容器可用电压的最大值取决于电解质分解电压。电解质可为强碱、强酸等水溶液，亦或盐的质子惰性溶剂等。通过水溶液体系，超级电容器可获取高比功率及高容量的最大可用电压；通过有机溶液体系，超级电容器可获取高电压，并获取高比能量。
2 不同电极材料在超级电容器上的研究
2.1 碳基电极
在目前使用的超级电容器中，应用最广泛的电极材料就是具有高比表面积和多孔结构的碳材料。至今报道过的碳材料有碳纤维、碳纳米管以及石墨烯等。碳基材料是利用双电层储能原理，即在电解液中的电极表面与溶液两侧分布电荷数量相等，但是符号相反的离子层，在电极上和溶液中形成了两个电荷层，即常说的双电层，于是相间产生了电位差，故可通过这个原理，通过增大碳材料的比表面积来提高超级电容器的比电容。
炭纤维在性能方面较活性炭材料相比，具有更大的优势，其孔道畅通，不同孔径间连接比较紧密，有利于电荷的吸附和电解液的传输，同时耐热性优良、膨胀性低并且具有良好的化学稳定性，故是优良的电极材料。2014年5月Hsu等通过静电纺丝技术由N、N-二甲基甲酰胺、聚丙烯晴（PAN）和聚丙烯晴-丁二烯（PAN-co-PB）制备了相互连接的碳纳米级纤维，其制备的碳纳米纤维经电化学测试显示出高比电容量和良好的循环寿命，证实了相互连接的碳纳米纤维在超级电容器应用中的优势。另一种碳基材料石墨烯在超级电容器应用领域具有巨大的潜力，其具有超大比表面积、高电导率和化学稳定性等优异的特性。
2.2 属氧化物
以金属氧化物作为电极材料的超级电容器属于法拉第赝电容，赝电容不仅在电极表面上产生，也可以产生于整个电极内部，故可得到比双电层电容更高的电容量。金属氧化物电极材料的电容量通常可达到双电层电容的10～100倍，由此可见金属氧化物具有很好的应用前景。用于超级电容器的金属氧化物以氧化钌为代表，虽然其具有较高的比电容量和导电性，但由于成本过高限制了其商业化应用。因此，近几年研究的重心主要集中在氧化锰、氧化钴等较便宜的金属材料上。
二氧化锰材料具有对环境友好、价格低廉以及电化学工作窗口宽的特点，并且二氧化锰电极材料的超级电容器可采用中性电解质溶液，如Na2SO4的水溶液，而不像其他金属氧化物超级电容器必须采用强碱或强酸的电解质，这就使二氧化锰基超级电容器更加环保，并且组装及使用更加方便和安全。此外将纳米技术应用于超级电容器电极材料领域，可利用纳米级二氧化锰电极材料高的比表面积、较短的电子输运距离，来大大提高其电化学活性。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆1999年Goodenough等人首次研究了无定型二氧化锰电极材料在超级电容器中的应用，其利用共沉淀法制备二氧化锰电极材料的超级电容器，在2mol/L的KCL电解液中，比电容可达203F/g。自此，还有很多类型的二氧化锰电极材料得以发展。另外Kuang等合成了蒲公英形态的NiCo2O4介孔微球，研究表明用这种材料作为超级电容器的电极，拥有很好的大电流放电能力和优秀的循环放电寿命，具有良好的应用前景。
2.3 导电聚合物
相比与前两种电极，导电聚合物是一种新型的电极材料，其比电容通常是碳基材料的2～3倍，并兼有成本低、充放电时间短等优势。导电聚合物是通过充放电过程的氧化还原作用，在聚合物膜上产生快速n型或p型掺杂、脱掺杂来储存高密度电荷从而产生大法拉第电容。目前，常用的材料有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）等具有共轭结构的聚合物及其衍生物。
Yue等将聚吡咯包裹在棉纤物表面上，制作成了一种可长短伸缩的电极，其原理是利用乙腈和对甲苯磺酸的混合液通过电化学聚合法将聚吡咯涂于棉纤物表面。在1.0mol/L的NaCl电解液中该材料的电极表现出很好的应张力，并且能够保持良好的循环稳定性和伸缩性。
3 超级电容器的研究内容和应用分析
3.1项目主要研究内容
超级电容器的主要研究内容包括：（1）超薄的镀膜技术是解决超级电容内阻的关键 本项目超级电容内阻为 0.095 mΩ 以下；（2）比功率为18417 W/kg，高于目前技术约3倍；（3）比功率（等效电阻下）为 38368 W/kg，高于目前技术 约 3 倍；（4）比能量为 6.075Wh/kg。
3.2超级电容器的应用方向
3.2.1 新能源发电系统
风能、太阳能等可再生能源具有取之不尽用之不竭、对环境无污染等优势，但它们易随天气、气候、时辰变化而表现不稳定和不可控的缺点，导致风力和太阳能所发电能不能直接并入电网产生经济效益，因此超级电容器作为大容量储能装置受到亲睐。产生的多余的电量可以暂时存储在超级电容器中，而当产生的电量不足时，超级电容器释放存储的电量，即起到“削峰填谷”的作用。
3.2.2 通信领域
在移动通信设备中，要求电源能够输出幅值很大的脉冲电流，还要具有响应速度快、循环使用寿命长、温度范围宽的特点，因此超级电容器的远比传统化学电池有优势，通过理论计算证实了现有超级电容器在移动通信设备中的应用可行性。另外，GSM和GPRS等无线通信便携设备、芯片等大功率脉冲领域均可以采用超级电容器，保证电源波动和停电时继续工作，还能延长电池寿命。
3.2.3电动汽车及混合电动汽车
超级电容器的独特优势大大满足了电动汽车对电动电源的需求。相对于超级电容器，传统动力电池因在快速充电、使用寿命、高功率输出及宽温度范围等方面均存在局限而不能最大程度满足电动汽车动力电源的需要。就电动车加速、启动或爬坡等高功率需求环节，超级电容器为其提供了极大的方便。如果将超级电容器配合动力电池使用，则电池受到大电流充放电的负面影响将大幅度降低。此外，在再生自动系统的协助下，可将瞬间能量回收，以提高超级电容器能量利用率。
结束语：
目前，超级电容器在世界范围内都属于朝阳工业，掌握相关技术并实现工业化的国家寥寥可数。但是未来几年内，随着社会经济的不断发展，高比容量，高比功率的超级电容器必将激发一个巨大的新市场。其应用领域涉及社会发展的方方面面。未来超级电容器发展的方向是采用何种电极材料、何种方法，提高它的比能量、比功率及寿命，从而扩大它的使用范围。
参考文献：
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[2]超级电容器电极材料[J].蔡婷婷，叶颖惠，宋伟峰.山东工业技术.2015（17）
[3]超级电容器用炭电极材料的研究进展[J].阮殿波，王成扬.电源技术.2015（09）
论文作者:关微,李檀,张津铭,张玉良,赵波
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
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