电化学电容器

背景

　　随着科学技术的发展，人类生活环境的提高，对能源的要求也越来越多样化，也要求储能设备具有更高的能量密度和功率密度，来替代或者辅助当前使用的电池。对电动汽车发展的要求更促使了对新型储能设备的研制。

　　电化学电容器是上个世纪90年代发展起来的，它兼有常规物理介质电容器和蓄电池的双重特性，但其比能量、比电容是常规电容器的1000倍以上，并且具有充电快(几秒钟)、循环寿命长(105次)、环境适应性强、无记忆效应、免维护、对环境无污染等优点以及良好的脉冲充放电性能和大容量储能性能，尤其可解决新一代数字通讯设备、高功率军事装备对功率密度越来越高的需求问题。蓄电池和EC组成的混合电池-电容系统（Battery capacitor hybrid）可防止电池的过量消耗和劣化，增强电池寿命，且使整个电源系统的总重量大大减轻。

特点

　　电化学电容器一般以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极，以氧化还原反应的机制存储电荷的储能装置。

　　作为一种新型储能元件，其特点如下：

　　1、电化学电容器的电容量大，可高达法拉级甚至上万法拉，能够实现快速充放电和大电流发电；

　　2、功率密度高、寿命长，电化学电容器比蓄电池具有更高的功率密度(可达1000W/kg数量级)、和更长的循环使用寿命(充放电次数可达10万次)；

　　3、环保节能，电化学电容器可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。

研究

　　电化学电容器的研究主要集中于高性能电极材料的制备。碳素材料是最早被用于制造电化学电容器的电极材料，基于双电层原理来实现电化学电容器的能量贮存。

　　对于碳材料，主要对活化方法进行了研究，结果发现用硝酸活化处理后的活性炭在浓度为7mol／L的氢氧化钾溶液中具有良好的电容性能。并且进行了硝酸的浓度实验和氨水活化时间的实验，发现容量随硝酸浓度的增加而增加，随氨水活化时间的增加而减少。由于碳基电容器正极容量远小于负极容量，所以主要致力于开发新的正极材料与作为负极的碳电极组成混合电容器。用固相合成法制备Ag_2O作为超级电容器材料，通过循环伏安与恒流充放电等测试手段对Ag_2O电极及与作为负极的活性炭电极组成的电容进行分析。结果表明，在7mol·L~(-1)KOH电解液中，Ag_2O电极在0.15～0.35V(vs.Hg／HgO)的电压范围内表现出了法拉第电容特性。在不同电流密度下，电极比容量达427.3～554.9 F·g~(-1)，Ag_2O／活性炭单体电容器比电容为42.5～61.65F·g~(-1)。同时还对正极中Ag_2O的含量及导电剂对Ag_2O／活性炭单体电容器性能的影响进行了研究。用固相合成法制备了α-PbO、β-PbO、PbO_2和MnO_2。用MnO_2作为超级电容器正极电极材料，并通过在正极活性物质中加入不同的铅的氧化物探讨其对正极容量的影响。实验表明添加β-PbO的MnO_2电极在7mol·L~(-1)KOH溶液中在-0.3～0.4V(vs Hg／HgO)的电压范围内有良好的法拉第电容特性。添加2％β-PbO的MnO_2电极比容量达165.7～260F·g~(-1)，比无添加剂的MnO_2电极的比容量高出62.5％，从实验数据可见，添加的配比对电化学性能的影响较大，添加量为2％时，电极具有良好的电容性能。

应用

　　电化学电容器是上个世纪90年代发展起来的一种新型储能装置，具有良好的脉冲充放电性能和大容量储能性能，其应用前景广泛。

　　1、军事应用：可作为新一代激光武器、潜艇、导弹以及航天飞行器等高功率军事装备的点火与启动电源。

　　2、民事应用：可作为未来环保型纯电动汽车、燃料电池的辅助电源，计算机、数字通讯系统等智能仪器的记忆支持电源，便携式电动工具的高脉冲能源，以及航标灯、交通信号灯、户外广告灯的免维护电源。这种新型储能装置可与太阳能、风能等洁净能源配套使用，白天由太阳能提供能源并对EC充电，晚上则由EC释放能源。

市场

　　电化学电容器的寿命长、功率高、环保节能，使得其在电动汽车、通讯、消费和娱乐电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。有业内专家预测，仅就中国市场而言，目前的年需求量可达2,150万只，而整个亚太地区的总需求量则超过9,000万只。美国市场研究公司Frost & Sullivan不久前发布的一份报告也预计，2002年到2009年之间，全球超级电容器产业的产量和销售收入这两项数据将分别以157%和49%的年复合增长率保持高速增长。