致谢  23

参考文献24

1  引言

气候变化和化石能源有限的数量极大地影响了世界经济环境和生态环境。随着可穿戴电子设备日益成长的市场，和混合动力电动车的发展，环境友好型的高功率高能量资源也变成了一个急切和上升的需求。超级电容器，也叫作电化学电容器，由于其高功率密度、长循环寿命、制备简易、充电过程快的特点，引起了极大的注意[1-3]。如图1，其中各种各样的能源转换和储存设备被比较并呈现在一个简化的‘Ragone plot’中，超级电容器无论在能量密度和功率密度上都占有一个大的比重。现在，超级电容器被广泛应用于记忆储存系统和工业能源设备中[4]。在这些应用中，它被用作一个暂时的能源储存设备，有着较高的功率密度。

总的来说，在能源储存机制的基础上，超级电容器被分为两类[5]。一是双电层电容器（EDLC),其容量来源于电极和电解液表面的静电电荷积累，因此双电层电容器的容量强烈依赖于电极材料接触电解液中离子的面积[5]。另一种类型是赝电容电容器，由于其电化学活性而发生很快且可逆的法拉第反应过程[5]。这两种机制都依赖于电极材料的性质。超级电容器技术上的进步收益于持续的纳米结构材料的发展。研究者可以参考许多最近的研究报道，其中讨论了许多各种形貌和电极材料的超级电容器科学和科技的提高[6-8]。

图1 Ragone plot电容器和电池的功率密度和能量密度图[21]

1。1超级电容器的分类及能源储存机理

储存能源的类型决定于电容行为的类型：双电层电容器的容量源于电极表面的静电荷的积累，赝电容的容量源于特征电压下电极发生的快且可逆的氧化还原反应[21]。尽管这两种机制常常在同一电容器中同时存在，但是分开讨论更方便。

1。1。1 EDLC的能量储存机制

传统的电容器储存很少的能量，因为传统电容器的电荷储存区域有限，并且两片充电板之间的区域会有几何上的压缩和拉伸。然而，建立在双电层机制上的超级电容器能储存更多的能量，因为双电层电容器有更大的表面接触面积，并且其电荷间距离在原子量级。如图1。1。1中所示，双电层电容器的概念和模型第一次由Helmholtz在观察胶状颗粒表面正负电荷的运动时提出的[9]。这个模型与传统的电容器模型相似。简单的Helmholtz EDL模型由Gouy和Chapman[10,11]，更一步深化，因为要考虑到电解液中电解液离子（阳离子和阴离子）的持续运动，该运动的动力是热。然而，Gouy-Chapman模型导致了双电层电容器的电容的夸大化。两个电荷阵列层的容量根据其间距减小而增大，因此如果正离子靠近电极时，那么电容量将会极大。随后，Stern [12]结合了以上二个模型去清晰的认出了离子运动的两大区域——内部区域称为紧密层或是Stern层，和扩散层。在紧密层中，离子（常常与水分子结合）被电极其强烈的吸引，因此被叫做紧密层。而且，紧密层由特定吸附的离子（在大部分情况下它们是阴离子，和电极材料的性质无关）和非特定吸附的平衡离子组成。内Helmholtz平面和外Helmholtz平面被用作区分两种不同类型的吸附离子如图1。1。1所示。扩散层区域是由Gouy-Chapman模型定义的。From+优`尔^文W网wWw.YouErw.com 加QQ75201^8766

双电层电容器的容量能用以下公式表示为：

C1为理论总容量，C2是紧密层的容量，C3是扩散层的容量。

决定双电层电容器行为的因素包括电极和电解液接触的面积，电解液中离子的类型，电解液离子所溶解的溶剂的类型和吸附离子与电极表面的电化学吸引力[21]。当电极为有着高表面积的有孔材料时，双电层电容器中有孔电极表面的孔表面很复杂，因为在一个有限的空间里离子传输能被许多参数很大程度上的影响，如扭曲的离子传输通道，空洞中空间的扭曲和与电解液相关的阻抗等等。