浅析混合型超级电容器的研究进展

浅析混合型超级电容器的研究进展

荆葛

（江苏集盛星泰新能源科技有限公司江苏省常州市213000）

摘要：与传统电容器相比，超级电容器具有的特点是使用寿命长、功率密度较高，相对能量密度较小。当前，绝大多数的研究工作者在改良超级电容器中能量密度的问题上都投入了很多的精力和时间，一方面提高超级电容器电极材料的比电容，另一方面经过应用不对称混合型超级电容器系统提高电容器的出输电压，达到提高电容器能量密度的目的。本文的主要内容就是介绍了混合超级电容器的发展情况和研究新型电极材料方面的进展。

关键词：混合型超级电容器；活性炭；研究进展

引言

20世纪60年代，超级电容器开始了起步和发展，在20世纪90年代随着混合电动汽车的迅速发展带动了超级电容器的发展进程。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。随着社会和科学技术的进步，超级电容器技术的发展越来越受到人们的关注和重视，广泛应用在各类电子产品和交通设施等方面。

1浅析电化学超级电容器

1.1工作机理和分类

超级电容器是功率补偿和储能的设备，电容的大小显示储能的多少。依据电能的储存和转化的原理，超级电容器分为双电层电容器、法拉第准电容器和混合型超级电容器。

1.1.1双电层电容器

双电层电容器的工作机理是应用电极和电解质两者形成的界面双电层进行储存电能。双电层电容器储存电能的过程是经过电解质溶液发生电化学反应实现的，电容器本身没有发生任何反应，所以这种储能方式是可逆的。

1.1.2法拉第准电容器

法拉第准电容器的主要原理是准电容对准电容，在正极和负极的表面发生氧化还原反应，产生和电极充电电位相关的电容。

1.1.3混合型超级电容器

混合型超级电容器作为一种新型开发的电容器，分为对称型和不对称型，在正负极分别应用电池材料和活性炭材料，经过电化学反应达到储存和转化能量的目的。由于混合型超级电容器在充放电的储能原理存在差异，所以具有双电层电容器和蓄电池的共同特点。当前，混合型超级电容器是电容器研究的重点。

1.2超级电容器的特点

超级电容器是存在于传统电容器和电池之间一种优化的储能设备，其特点有较高的功率密度、充放电使用次数多、较长的使用寿命、快速充电、较大的工作能量和输出功率、耐热性好等。

2混合型超级电容器的研究进展

目前，双电层电容器和法拉第准电容器的能量密度已经远超过传统电容器，但在实际使用的过程中，两者的能量密度和储电量相对不高，不能满足使用要求。在研究和寻求超高能量密度的过程中，混合型超级电容器应运而生，成为人们的研究重点。

混合型超级电容器一方面具有较大的能量密度、较高的输出功率密度等特点，另一方面具有较快的充放电能速度、较长的循环使用寿命等优势，是一类高能适用的储能设备，广泛应用在便携式仪器设施、数据存储、电动汽车和应急电源等方面。尤其在电动汽车的使用中，将超级电容器和电池结合适用，一方面提高了输出功率和能量，另一方面大大缩减了电源占据的空间，还增加了电池的使用寿命。如今，世界各国在研究混合型超级电容器中均投入了大量的人力财力，我国混合型超级电容器的研究也是势在破竹，迅速发展。

为达到同时提高能量密度和功率密度的目标，研究者设计发明出新型的不对称型电化学超级电容器。在电容器的一极为双电层电极，另一极为法拉第准电容电极。不对称型电化学超级电容器融合了两种电容器的优势特点，一方面提高了能量密度和功率密度，另一方面能够较好的满足实际使用中对负载的需求。

电容器电容值的多少和电极材料的表面积比有着紧密的联系，研发和制作较高表面积比的材料是不断改革和更新电极材料和电容功能的有效手段。目前，大多数混合型超级电容器利用活性炭作为正极或负极，由于另一极和电解质溶液的不同将混合型超级电容器分为六大类型，分别是正极为Ni（OH）2（KOH水溶液）的碳镍混合型超级电容器、负极为纳米Li4Ti5O12（LiPF6乙腈溶液）的混合型超级电容器、正极为石墨（H2SO4水溶液）的有机电解质系统混合型超级电容器、负极为LiMn2O4（Li2SO4水溶液）的混合型超级电容器、正极为金属氧化物（H2SO4水溶液）的混合型超级电容器、正极为导电聚合物（KOH水溶液）的混合型超级电容器这六个方面。目前研发的混合型超级电容器的工作电压在0V-2.8V之间，能量密度可以高达7Wh/kg（L）-45Wh/kg（L），相比于一般的电容器来说，具有能够承受较高电压的工作环境、大幅度提高能量密度、有效减少漏电现象、电极材料易得等优点。

结语

由此可见，混合型超级电容器是传统电容器和和充电电池融合形成的一种具有美好前景的储能设备，是混合电力实际应用的理想电源，具有能量密度大、体积小等优势。但在使用的过程中也存在一些问题，比如大电流放电会引发容量骤减、电极材料和电解质溶液存在安全隐患、操作条件苛刻提升成本等，其中电极材料是决定电容器功能的主要原因，也是当前研究和开发的重点所在。研发具有较高电容量、承受较高电压、较高输出功率和较长使用寿命的复合型电极材料是提升混合型超级电容器能量密度和功率密度的发展方向和趋势。

参考文献

[1]汪形艳，王先友，杨红平，等.超级电容器电极材料纳米α-MnO2的制备及性能研究[J].湘潭大学自然科学学报，2004，10(3)：442-447.

[2]杜嬛，王成扬，陈明鸣，等.纳米Fe3O4-活性炭混合超级电容器电化学性能的研究[J].无机材料学，2008，16(6)：1193-1198.

[3]田志宏，赵海雷，李玥，等.非对称型电化学超级电容器的研究进展[J].电池，2006，25(6)：469-471.

[4]闪星，张密林，董国君，等.纳米MnO2的制备及在超大容量电容器中的应用[J].电源技术，2002，17(2)：92-94.

[5]刘海晶，夏永姚.混合型超级电容器的研究进展[J].化学进展，2011，32(23)：595-604.

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。