2.3.3 恒电流充放电分析 19

2.4 本章小结 22

3 结论 24

致  谢 25

参考文献 26

 1  绪论

1.1  引言

当今世界，便携式电子设备和混合动力汽车发展非常迅速，对储能装置的需求日益增长，传统的储能装置已经难以满足。以电池为传统储能装置的代表，虽然它体积小、重量轻，然而从Ragone曲线图(图1.1)中我们可以看到，即使是在180 Wh/Kg的能量密度下[1]，电池的功率输出依然是比较慢的，这就限制了电池在很多领域的广泛应用，特别是在一些需要大功率快速存储为首要前提的能量存储系统中。在此背景下，超级电容器(Supercapacitors)，即电化学电容器(Electrochemical Capacitors)的出现使得这一问题得到了解决。超级电容器有相当多的优点，例如循环使用寿命较长、功率密度大（约为电池的5到10倍）、充放电速度快(几秒钟内)、能量转换效率很高等。目前，超级电容器已经在便携式电子产品、记忆体备份系统、工业电力和能源管理等方面得到了广泛应用[2, 3]。

图1.1 不同储能装置的Ragone曲线图

1.2  超级电容器的储能机理

超级电容器的储能机理[4]有两种：一种是基于双电层电容[5,6]，这是由电解液中的离子和电极表面间产生的静电吸引力而产生，例如将碳基材料作为电极材料；另一种是基于法拉第赝电容，它是由电极表面存在的活性物质所发生的快速可逆氧化还原反应，或者法拉第电荷转移反应而产生的，例如将金属氧化物[7,8]或者导电聚合物[9-11]作为电极材料。

1.2.1  双电层电容

图1.2是双电层电容的形成示意图，在电容器的充电过程中，存在于电解液中的阳离子被电容器的负极表面所吸附，而电解液中的阴离子则被吸附在电容器正极的表面，同时，电解液的阴阳离子和电极之间不会发生化学反应，这样在电极的表面就有了阴阳离子所形成的紧密电荷层，称作双电层。双电层电荷分别位于两相界面上，在它们之间存在着一片空间区域，时能比周边时能都高，称作势垒，电荷不会越过边界而发生中和，这样便形成了双电层电容。

双电层电容形成示意图

1.2.2  法拉第赝电容

电极活性物质在电极表面或体相中的二维或准二维空间上进行欠电位沉积、高度可逆的化学吸附/脱附或氧化还原反应而产生与电极充电电位有关的电容即为法拉第赝电容[12](Pseudocapacitance)。在产生法拉第赝电容的过程中，电荷不仅在双电层上进行存储，而且还会由于电解液中的离子在电极活性物质中发生化学吸附/脱附或者氧化还原反应而被储存在电极中。法拉第赝电容器的存储原理是通过将电能转化成化学能而进行的，所以一般法拉第赝电容的容量比双电层容量高一至几个数量级。

1.3 超级电容器电极材料研究进展

1.3.1  碳基材料

1.3.1.1 碳纳米管

1.3.1.2  石墨烯

1.3.2  金属氧化物材料

1.3.3  导电聚合物材料

1.3.4  复合材料

1.3.4.1  基于碳纳米管的复合材料

1.3.4.2  基于石墨烯的复合材料

1.4  本文研究思路和内容

本文的研究思路是采用电泳沉积法在多孔镍表面沉积一层NiO/碳基材料薄膜，用于制备具有高比电容的超级电容器电极。