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结论 28

致谢 30

参考文献 31

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1 引言（或绪论）

随着现代电子工业的迅猛发展以及环境污染问题的日益严重[1-4]，能源问题与环境问题成 为了当今世界面临的两大课题。对新能源比如太阳能、风能的开发，正在如火如荼的开展当 中。对能源的转换与存储技术的研究便也随之提上了社会发展的日程。目前，太阳能电池[5]、 燃料电池[6]、锂离子电池[7]等新型储能器件已得到广泛研究。超级电容器，作为一种新的储能 设备，具有独特的性能和巨大的应用潜力。

1.1 超级电容器简介

超级电容器（supercapacitor），发展于上世纪六七十年代，距今仅几十年的历史。它兼 具传统静电容器和电池的技术优势[8]。超级电容器的优点包括：功率密度高（可在短时间内 实现高功率输出）、充放电快速、使用寿命长、低温性能优越、安全、绿色环保等[9-11]。

1.1.1 结构

超级电容器的基本组成包括集流体、电极材料、电解液、隔膜和封装材料[12]，具体结构 如图 1.1。集流体一般作为电极活性物质的载体，同时，与外界构成闭合回路，起传递电荷的 作用。隔膜一般选用电子绝缘体材料，防止相邻电极短路，还要求具有超薄、高孔隙率和高 强度等特点[13]。电极和电解液是决定电容器性能的两个关键因素。

图 1.1 超级电容器的基本结构示意图[12]

1.1.2 分类

根据储能原理来分，超级电容器分为双电层电容器（electrical double-layer capacitor， EDLC）和法拉第赝电容器（pseudocapacitor）。按照正负极构成以及电极反应，超级电容器 又可分为对称型和非对称型。按照电解质种类的不同，还可分为水体系电解质、有机体系电 解质、固体和胶体电解质[13]。

1.1.3 用途

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凭借着卓越的性能特点，在便携式电子设备[14]、混合动力电动汽车系统[15]、后备电源[16]、 航空航天和国防科技[17]等领域，超级电容器均有很大的发展前景和应用潜力。目前，超级电 容器的发展存在巨大的发展潜力，商业化市场会逐步打开。随着性能提升、市场扩大，超级 电容器将来势必会在生产生活中占据举足轻重的地位。

1.2 超级电容器的储能原理

1.2.1 双电层电容

双电层电容器是通过电极/电解液界面间的电荷分离造成的双电层来存储能量的。1887 年，Helmholtz 第一次提出了双电层电容理论模型[18]，如图 1.2 所示。双电层上容纳的分离电 荷的数量象征着双电层电容量的大小。为了使双电层电容器储存更多的能量，增大电极材料 的比表面积是一种有效手段，因而一般选用多孔碳材料，如碳纳米管[19]、活性炭[20]、石墨烯

[21,22]、碳气凝胶[23]等，作为双电层电容器的电极材料。

图 1.2 双电层电容器储能原理图[18]

1.2.2 法拉第赝电容

法拉第赝电容的产生是基于电极活性物质在电极的二维或准二维空间发生的吸附/脱附 或氧化/还原反应。法拉第赝电容不但在电极的表面发生，还能在电极的内部发生[18]，基于这 点，相较于双电层电容器，法拉第赝电容器可以拥有更高的比电容和比能量。这类电容器的 电极材料通常选用过渡金属氧化物[24-27]和导电聚合物[28]。