器的构造与相近,都是按照正极/隔膜/负极依次排列组装而成。其中正负极都是通过将活性物质涂覆在集流体上后经烘干并压实而成,隔离膜放置在正负极中间以避免正负极短路,电解液作为离子传输的载体。
随着超级电容器研究方向的跨学科化和应用场景的广泛化,超级电容器的种类日益增多。
按照储能原理来区分:双电层、法拉第赝器和混合型电容器;按电极材料来区分:碳基电容器、金属氧化物电容器和导电聚合物电容器;按照电极材料是否为同一种电极材料区分:对称型电容器和混合型电容器;按照电解液种类来区分:有水系电解液电容器和非水系电解液电容器,其中水系电解液电容器又有酸性、中性和碱性水系电解液电容器之分。
不同于锂离子电池通过氧化还原反应让锂离子从正负极中反复嵌入与脱出来实现储存和释放能量,超级电容器储能机理的基础是双电层理论。
外电场促使电解液中的正负离子分别在电容器的的负极/正极的固液界面上定向排列,充电时电容器的正负极板表面集聚过剩电荷,电解液中的相反电荷就会在正负极的固液界面定向排列,形成双电层;放电时正负极板通过导通的外电路发生电荷转移,过剩电荷量减少,相应的固液界面的相反电荷回到电解液中,从而实现能量的储存和释放。
法拉第赝电容器的储能机理除了有双电层电容器的储能方式外,还有氧化还原储能方式,即离子被吸附到正负极板上活性物质的表面或嵌入活性物质内,与周围物质发生氧化还原反应来实现能量的存储,这种方式没有材料的相变,有别于锂离子电池中的锂离子在正负极间的嵌入与脱嵌。
基于以上原理,相比于传统可充电电池,超级电容器对于电极材料的需求有着自己独有的特点,主要包括高的比能量、高的比功率和长的循环寿命。
就材料本身特性来说,需要其具有高的比表面积以及好的导电性和吸附性能。而碳基电极材料恰恰具备以上优势,并且原料丰富廉价、制备工艺简单、孔隙状态易调,化学性质稳定、导热导电性能好,比表面积高、循环性能优异,并且可作为基底与金属氧化物和导电聚合物组成复合物,是目前应用最广泛和商业化最成熟的超级电容器电极材料。
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