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（electricaldouble-layercapacitor，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

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]。

1.3 超级电容器的研究进展与展望

目前，超级电容器的产业化仍然只能在双电层电容器上实现，碳材料依旧主导着电极材料市场。然而，比电容低是其不容忽视的问题。众所周知，超级电容器的出路在法拉第赝电容。

近年来，在对超级电容器电极材料的研究中，过渡金属氧化物性能突出、大放光彩。过渡金属氧化物的比电容比碳材料高很多，可惜的是具有导电性差、充放电时结构易坍塌、循环性能和倍率性能差等缺陷[24-27]，这很大程度上限制了它的发展。将金属氧化物与其他材料复合，可以突破单一材料的局限性，使两者性能互补，是最方便有效的解决办法。