关键词 全固态超级电容器、反应机理、分类、前景展望
随着人类社会的不断发展，人类对于能源的使用需求越来越大，因此开发新的储能部件成为了研究热点。与二次电池相比，全固态超级电容器能量密度低，但充放电速率快且更加安全。
超级电容器大致由正负极、隔膜、电解质、集流体、外壳五个部分组成，传统的超级电容器所使用的电解质为液态，容易泄露，不够稳定而且没有柔性。而固态电解质解决了上述问题且保留了传统超级电容器的功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点，因此近年来备受相关领域研究者的青睐。
本篇文章首先将全固态超级电容器与二次电池、传统超级电容器进行比较，简要总结了全固态超级电容器的反应机理和分类，并且结合目前存在的问题做出对未来的展望。
1.全固态超级电容器的反应机理
根据工作时的反应机理的差别，主要可以将其分为两大类：第一种是双电层电容器，第二种是赝电容器。
双电层电容器的充放电过程为一个几乎完全可逆的物理过程，在外加电场的作用下，离子分别向两极移动，在两个电极的表面形成电荷层，即双电层。
赝电容器整个储存电荷的过程为法拉第过程，当施加一定电压后，在电极的表面和内部迅速发生氧化还原反应来贮存能量，此类超级电容器充放电时间要更长。
另外，上述两种反应机理并不冲突，许多全固态超级电容器可同时发生上述两种充放电过程。
2.根据电解质的不同对全固态超级电容器进行的分类
电解质是全固态超级电容器的重要组成部分之一，并且主要可以划分为两大种类：第一种是有机聚合物固态电解质，第二种是无机固态电解质。
2.1有机聚合物固态电解质全固态超级电容器
按照物理状态的差别又能够将其分成两种：固态型和凝胶型。此类电解质由有机聚合物及导电盐两部分所构成，其中常用的聚合物有聚乙烯醇、聚硅氧烷、聚磷腈，具有很好的柔性，但由于高结晶度所致，电导率普遍偏低。相关研究人员依靠添加纳米粒子的方式，对有机聚合物进行改性，有效提升了此类电解质的电导率。
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2.2无机固态电解质全固态超级电容器
与有机聚合物电解质不同，此类无机固态电解质有很高的电导率，一般可以通过固相反应合成。无机固态电解质具备优秀的稳定性，安全性获得了很大的保障。王千一[1]使用高能球磨法制备了纳米级氧化铝、钛酸钡、钛酸锶粉体，并且通过压片工艺制备出全固态超级电容器。该种类型全固态超级电容器工作电压能够超过6V，比电容可至153mF/g，能量密度可至0.765Wh/Kg。但无机固态电解质的缺点是阻抗较大，在充电过程中会造成一定的能量损失，限制了它的使用。
3.根据电极材料的不同对全固态超级电容器进行的分类
全固态超级电容器主要依靠电极材料储存电荷，因此电极材料是其重要组成部分之一，并且电极材料主要可以划分为三大类：第一种是碳材料，第二种是金属氧化物，第三种是导电聚合物。
3.1碳材料全固态超级电容器
碳材料有诸多优势，如良好的电导率、更大的比表面积、优秀的的物理化学性能，因此被广泛运用于全固态超级电容器的电极材料。尹雁[2]利用化学气相沉积法制备了石墨烯电极并成功运用于全固态超级电容器，一定条件下其面积比电容为62.924mFcm-2，能量密度为320.117mWhcm-3。
3.2金属氧化物全固态超级电容器
金属氧化物电容量可达到碳材料的数十倍,能量密度更高，最初得到应用的金属氧化物是RuO2，之后出现了过渡金属氧化物，可以有效降低成本。赵瑞峰[3]设计合成镍锰氧化物纳米阵列材料来制作全固态超级电容器，在一定条件下Mn-NiO具有极高的比电容、高达75%的倍率特性和优秀的循环稳定性。
3.3导电聚合物全固态超级电容器
导电聚合物，如聚吡咯、聚苯胺等，是一类具备导电性的有机聚合物材料，制作简单，易于合成，拥有许多优秀的特性。与其他两种无机电极材料相比，此类材料导电性好、电容量大，但不够稳定，容易产生安全问题。姚斌[4]分别制备了含有聚吡咯、聚苯胺的两种复合电极并运用于全固态超级电容器中，在一定条件下体积电容为3.55F/cm3。
4.总结与展望
传统的超级电容器具有环保、价格低廉、循环次数多、充放电速度快等优点，但也存在质量大、体积大、且不能应用于柔性器件等问题。新型全固态超级电容器很好地解决了以上问题，拥有良好的应用前景，但是也存在一些缺陷。目前许多有机聚合物电解质存在离子电导率较低的问题，另外碳材料的电容量较低，部分金属氧化物价格昂贵，导电聚合物也不够稳定。今后可以通过发展新材料，如nafion、PEO、PBI等，改变原有电解质或电极材料的样貌和结构，或者引入新的物质形成复合材料等方式解决上述问题，使得全固态超级电容器得到进一步的推广与应用。
参 考 文 献：
[1]王千一. 钛酸钡基全固态超级电容器研究[D].西安电子科技大学,2017.
[2]尹雁. 基于石墨烯的全固态平面超级电容器研究[D].哈尔滨理工大学,2017.
[3]赵瑞峰. 金属氧化物纳米复合材料的合成及其在超级电容器中的应用[D].北京化工大学,2018.
[4]姚斌. 导电聚合物基柔性固态超级电容器的组装及性能研究[D].武汉理工大学,2014.
作者简介：王晓东；男；（2000-10）；本科；研究方向或专业：材料类
论文作者:王晓东 刘可凡 霍原非 施辰昊 袁勇堂
论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期
论文发表时间:2020/4/17
标签：电容器论文; 电解质论文; 全固态论文; 聚合物论文; 固态论文; 电极论文; 材料论文; 《科学与技术》2019年21期论文;