超级电容器的分类
超级电容的分类有许多不同的方式。
按采用的电极不同,超级电容可以分为以下3 种:
1.碳电极电容器:碳电极电容器的研究历史较长。19 62 年,标准石油公司(SOH IO)认识到燃料电池中石墨电极表面双层电容的巨大利用价值,并生产出了工作电压为6V 的以碳材料作为电极的电容器。电容器的大小和汽车蓄电池的大小差不多,可以驱动小舟在湖面上行驶十分钟左右。稍后,这项技术转让给了日本NEC电气公司,该公司从19 79 年开始一直生产超级电容器,并将这项技术应用于电动汽车的电机启动系统,开始了电化学电容器的大规模商业应用。与此同时,日本松下公司设计了以活性炭为电极材料,以有机溶液为电解质的超级电容器。
碳电极电容器的电容大小与电极的极化电位及电极表面积大小有关,故可以通过极化电位的升高和增大电极表面积达到提高电容量的目的。电极P电解质双电层上可贮存的电量其典型值约为15~40 μF·cm - 2.选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电容。
对理想可极化体系而言,可通过无限提高充电电压而大量储存能量。但是,对于实际体系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制,可通过加大电极表面积来增加电容值。电容C 可由下式给出:
式中:ε0 为自由空间的绝对介电常数,ε为电导体和内部H elmhotz 面间区域的相对介电常数,A 为电极表面积,d 为导体与内H elmhotz 面之间的距离。近年来研究主要集中在提高碳材料的表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布,并开发出许多不同类型的碳材料,主要有: 活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。
2.贵金属氧化物电极电容器:对贵金属氧化物电极电容器的研究,主要采用RuO2,IrO2等贵金属氧化物作为电极材料。由于电极的导电性比碳电极好,电极在硫酸中稳定,可以获得更高的比能量,制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能,因此具有很好的发展前景。但是,由于RuO2 贵金属的资源有限、价格昂贵限制了它的使用。以RuO2·nH 2O无定型水合物作电极,5.3mol·L-1H2SO4 作电解液所制得的电容器比电容能达到700F·g - 1;而以无定型水合物MnO2·nH2O作电极,2m ol·L- 1KCl水溶液作电解液所制得的电容器比电容也可达到200F·g - 1.但比较而言,因为在中性KCl水溶液中材料比较稳定,不发生化学副反应,以KCl水溶液作电解液适用于多种电极材料。以RuO2作为电极材料的研究主要集中在电极制备方法上。
3.导电聚合物电极电容器:导电聚合物电极电容器作为一种新型的电化学电容器,具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。可通过设计选择相应聚合物的结构,进一步提高聚合物的性能,从而提高电容器的性能。
导电聚合物电极电容器可分为3 种类型:对称结构--电容器中两电极为相同的可p型掺杂的导电聚合物(如聚噻吩);不对称结构--两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料(如聚吡咯和聚噻吩);导电聚合物可以进行p型和n 型掺杂,充电时电容器的一个电极是n型掺杂状态而另一个电极是p 型掺杂状态,放电后都是去掺杂状态,这种导电聚合物电极电容器可提高电容电压到3V,而两电极的聚合物分别为n 型掺杂和p 型掺杂时,电容器在充放电时能充分利用溶液中的阴阳离子,结果它具有很类似蓄电池的放电特征,因此被认为是最有发展前景的电化学电容器。研究工作主要集中在寻找具有优良掺杂性能的导电聚合物,提高聚合物电极的放电性能、循环寿命和热稳定等方面。
按储存电能的机理,超级电容器可分为以下2种:
一种是“双电层电容器”,其电容的产生主要基于电极P电解液上电荷分离所产生的双电层电容,如碳电极电容器;另一种则被称为“法拉第准电容”,由贵金属和贵金属氧化物电极等组成,其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积,或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容,该类电容的产生机制与双电层电容不同,并伴随电荷传递过程的发生,通常具有更大的比电容。
根据超级电容器的结构及电极上发生反应, 又可分为以下2种如果两个电极的组成相同且电极反应相同,反应方向相反,则被称为对称型。碳电极双电层电容器,贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。如果两电极组成不同或反应不同,则被称为非对称型,由可以进行n型和p 型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器,其性能表现形式更接近蓄电池,表现出更高的比能量和比功率。
根据超级电容器的电解质来分,又可分为以下2种:
超级电容器的最大可用电压由电解质的分解电压所决定。电解质可以是水溶液(如强酸或强碱溶液)也可是有机溶液(如盐的质子惰性溶剂溶液)。用水溶液体系可获得高容量及高比功率(因为水溶液电解质电阻较非水溶液电解质低,水溶液电解质电导为10- 1~10- 2S·cm - 1,而非水溶液体系电导则为10- 3~10- 4S·cm - 1)选用有机溶液体系则可获得高电压(因为其电解质分解电压比水溶液的高,有机溶液分解电压约3.5V,水溶液则为1.2V),从而也可获得高的比能量。