又稱超級電容器（Supercapacitors），是上個世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型儲能裝置。它兼有常規(guī)物理介質(zhì)電容器和蓄電池的雙重特性但其比能量、比電容是常規(guī)電容器的1000倍以上，并且具有充電快（幾秒鐘）、循環(huán)壽命長（105次）、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、無記憶效應(yīng)、免維護(hù)、對環(huán)境無污染等優(yōu)點以及良好的脈沖充放電性能和大容量儲能性能，尤其可解決新一代數(shù)字通訊設(shè)備、高功率軍事裝備對功率密度越來越高的需求問題。蓄電池和EC組成的混合電池-電容系統(tǒng)（Batterycapacitorhybrid）可防止電池的過量消耗和劣化，增強(qiáng)電池壽命，且使整個電源系統(tǒng)的總重量大大減輕。這種介于常規(guī)電容器和蓄電池間的新型儲能裝置應(yīng)用前景非常廣泛。（1）民用方面：可作為未來環(huán)保型純電動汽車、燃料電池的輔助電源，計算機(jī)、數(shù)字通訊系統(tǒng)等智能儀器的記憶支持電源，便攜式電動工具的高脈沖能源，以及航標(biāo)燈、交通信號燈、戶外廣告燈的免維護(hù)電源這種新型儲能裝置可與太陽能、風(fēng)能等潔凈能源配套使用，白天由太陽能提供能激并對EC充電，晚上則由EC釋放能源。（2）軍事應(yīng)用：可作為新一代激光武器、潛艇、導(dǎo)彈以及航天飛行器等高功率軍事裝備的點火與啟動電源。基于電化學(xué)電容器在比能量、比功率等方面的特點及應(yīng)用前景，國家863計劃己將超級電容器作為一項關(guān)鍵技術(shù)列入發(fā)展規(guī)劃。電化學(xué)電容器通常由3個部分組成，即集電極、極化電極和電解液121.人們在對電容器的研究過程中，重點放在具有高比能量、高比功率的極化電極材料的研究上。目前主要有三類材料：碳素材料、金屬氧化物材料和導(dǎo)電聚合物材料。這里主要介紹這三類材料的制備、結(jié)構(gòu)、改性、工作原理以及電化學(xué)特性。

　　2電化學(xué)電容器工作原理電化學(xué)電容器與常規(guī)物理介質(zhì)電容器不同，主要表現(xiàn)在儲存能量的多少上。作為能童的儲存或輸出裝置，其儲能的多少表現(xiàn)為電容童的大小。電化學(xué)電容器充電時產(chǎn)生的電容量包括：在電極/溶液界面通過電子和離子或偶極子的定向排列所產(chǎn)生的雙電層電容量：在電極表面或體相中的準(zhǔn)二維空間，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附、脫附或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的法拉第準(zhǔn)電容量。因而，按電化學(xué)電容器電荷儲存原理可分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器原理2.1雙電層電容器工作原理如所示：將一對極化電極浸在電解旗溶液中，當(dāng)施加的電壓低于溶液的分解電壓時，在極化電極與電解質(zhì)溶液的相界面，電荷會在原子尺度內(nèi)（約0.30.5nm）分布、排列。由于靜電作用，正極會吸引溶液中的負(fù)離子或離子團(tuán)（相反，負(fù)極會吸引正離子），從而在極化電極與電解質(zhì)溶液相界面形成緊密電雙層（ElectricDoubleLayer）。伴隨電雙層的形成，電極界面累積大置帶相反電荷形成的電容被稱為電雙層電容，且在兩個固體電極之間產(chǎn)生電位差，能S以電荷或濃縮的電子存儲在電極材料的表面。根據(jù)比較簡單的平行板電容器模型理論（Helmholz模型），其靜電容童C與電極面積S成正比，與平板屯極間距離成反比。若電解質(zhì)溶液的介電常數(shù)為則其靜屯容量為：顯然，為了存儲更多電能I電極材料應(yīng)盡可能具有較大的比表面積，且電解液中的離子完全接近，從而提高雙電層容量。例如比表面積為丨000-2000m2/g的多孔活性碳材料，雙電層厚度為溶劑化陰離子半徑，根據(jù)上述公式可計算出比電容理論值達(dá)250F/g，比傳統(tǒng)的介質(zhì)電容器大得多。

　　雙電層電容器充電狀態(tài)電位分布曲線Fig 2.2法拉第準(zhǔn)電容器工作原理準(zhǔn)電容器工作原理是在極化電極表面或體相附近一定范圍（準(zhǔn)二維空間），進(jìn)行快速、可逆、無相變的電活性物質(zhì)欠電位沉積（Underpotentail deposition，UPD），化學(xué)吸附、脫附或氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生與充電電位的有關(guān)的電容來實現(xiàn)能量的儲存這種電化學(xué)儲能機(jī)理比較早由Coway3開始研究并命名為“準(zhǔn)電容”（pseduocapacitance）以示區(qū)別雙電層電容。雙電層電容在充電過程需消耗電解液，而法拉第準(zhǔn)電容在整個充放電過程中電解液的濃度保持相對穩(wěn)定。由于準(zhǔn)電容的比容量往往是雙電層電容量的丨0-丨00倍以上w，因此基于準(zhǔn)電容電荷儲存原理的導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物電極材料成為國內(nèi)外研究的熱點。

　　3電化學(xué)電容器電極材料3.1碳素材料碳素材料是比較早被用于制造電化學(xué)電容器的電極材料。從1954年Beclc.碳素材料電化學(xué)電容器是基于雙屯層原理來實現(xiàn)能量的貯存的。另外，碳電極表面通常有醌式結(jié)構(gòu)的存在，這些具有氧化還原性的官能團(tuán)會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而提供法拉第假電容，這也是實測電容與根據(jù)雙電層電容預(yù)測的電容相差較大的原因之一。Nakamure等、H3PMo12 *xH20水合物電極材料是制備高性能超級電容器較理想的金屬氧化物電極材料，該材料比容童高達(dá)768F/g.這是因為在電極表面體相附近準(zhǔn)二維空間發(fā)生無相變，氧化態(tài)連續(xù)改變的氧化還原反應(yīng)m.（IV）、Ru（m）、Ru（Il）連續(xù)變化，可以得到工作電壓達(dá)1.4V以及近乎常量的充放電電流或電容。但釕屬稀貴金屬，資源有限、價格過高，從而限制了它的商業(yè)化，目前僅用于高尖端軍事裝備。因此，制備篼比表面積的Ru02以提高材料的利用率、合成Ru02與其他金屬氧化物復(fù)合材料以減少Ru02的用跫，尋找廉價金屬氧化物以替代稀貴金屬成為近幾年來的研究熱點。近年來，科學(xué)家在這方面開展了大量研究，取得一定進(jìn)展。合成了如02與/10，V0r、TiOr、Zr02等復(fù)合氧化物材料341.這些方法的共同特點是：不同程度的減少了Ru02的用量，但仍保持較高的比容量；另外，也有不少研究者將Ru02與碳材料、聚合物等材料組合制備成復(fù)合材料，用作超級電容器的電極材料，取得了較好的效果采用溶膠-凝膠法制得多孔水合物NiO，電極材料。具體制備方法：將一定量的醋酸鎳粉末在100*0條件下恒溫干燥6h以上，在燒杯中按丨：丨0的比例將脫水粉末溶于蒸餾水中。在25X：水解36h以上，然后將翠綠色的水解液離心處理，移去上層液，在下層膠狀沉積物中按丨：丨比例加入蒸餾水，攪拌、洗滌、過濾及到氫氧錁膠體。將多孔泡沫鎳在該種膠狀物中充分浸潰。干燥壓片制得電極。該材料在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定，比容量達(dá)到240F/g，具有良好的大電流充放電性能，循環(huán)壽命長。不足之處是可逆工作電位范圍太窄（約0.5V），影響其應(yīng)用。Mn02資源廣泛、價格便宜、對環(huán)境無污染。人們對MnOi的研究有近150年的歷史，對其結(jié)構(gòu)與性能有較深入的了解，被廣泛用作各種水性與非水性電極材料《近年來，Mn2作為超級電容器潛在的侯選電極材料己引起科學(xué)家的關(guān)注。本課題組采用溶膠凝膠法合成了無定型水合二氧化錳，并研究了Mn02在中性電介質(zhì)溶液中的電化學(xué)準(zhǔn)電容特性，發(fā)現(xiàn)在硫酸鹽的水溶液電解質(zhì)中該材料的可逆工作電位范圍可達(dá)丨。IV，比容量為150F/g，表明Mn02作為超級電容器材料具有良好的應(yīng)用前景。本課題組正開展Mn02納米介孔結(jié)構(gòu)電極材料在電化學(xué)電容器領(lǐng)域的研究，將使電極材料的準(zhǔn)電容特性大大改善。

　　3.3導(dǎo)電聚合物材料導(dǎo)電聚合物超級電容器電極材料是近年來發(fā)展起來的一個新的研究領(lǐng)域。導(dǎo)電聚合物電極電化學(xué)電容器的電容主要來自法拉第準(zhǔn)電容，其作用機(jī)理是：電極上的高分子聚合物膜發(fā)生快速可逆的n型或P型摻雜和去摻雜氧化還原反應(yīng)，使聚合物達(dá)到很高的儲存電荷密度，從而產(chǎn)生很篼的法拉第準(zhǔn)電容來儲存能量。根據(jù)摻雜方式的不同，導(dǎo)電聚合物電化學(xué)電容器結(jié)構(gòu)可分為三類：1）對稱結(jié)構(gòu)相同電極材料均可摻雜p型元素；2）不對稱結(jié)構(gòu)一一電極材料不同，但均可摻雜p型元素；3）電極材料既可摻雜p型元素又可摻雜n型元素。第3類電極的放電能量要比第1、第2類高近丨倍左右。采用有機(jī)電解質(zhì)時，此類電容器的工作電壓可達(dá)3V，并釋放所有電荷，具有類似蓄電池的放電特征，是比較有發(fā)展前途的電化學(xué)屯容器，可稱之為高比功率蓄電池f38i.常見的導(dǎo)電聚合物材料有：聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚亞胺酯以及它們衍生物的聚合物的制備方法。

　　聚噻吩（Pth）的制法：在氬氣作保護(hù)氣的情況下，將一定量的金屬鎂粉加入到裝有四氫呋喃（THF）溶液的圓底燒瓶中，邊加邊攪拌。然后再將未與空氣接觸的2，5-二溴噻吩逐滴加入，以二氧化鎳為催化劑，反應(yīng)lh，過濾得到一種紅色粉末混合物，該混合物用甲醉溶液洗滌，去除低聚噻吩和催化劑二氛化鎳，產(chǎn)率為90%.聚噻吩通常用作第一、第二類電容器的電極材料，該材料的比容量為260F/g，工作電壓為3.0V，能量密度為8.6W*h/kg，功率密度可達(dá)1000W/kg以上。

　　聚3（4氟苯基）噻吩（PFPT）的制法與聚噻吩相比，聚3（4氟苯基）噻吩的合成方法要復(fù)雜得多，其整個合成都是在手套箱（箱內(nèi)充滿氬氣）中進(jìn)行的。反應(yīng)分兩步進(jìn)行第1步是：將3-溴噻吩加入到事先裝有催化劑（二化鎳）的圓底燒瓶中，攪拌0.5h，溫度控制在零下10X：。然后用注射器將1M的4-氟苯溴化鎂注入反應(yīng)器中（稍過量），攪拌12h后，用1M的鹽酸中和過量的4-氟苯溴化鎂，制得聚3-（4-氟苯基）噻吩的單體，即3-（4-氟苯基）噻吩（FPT），*種白色的粉末。第2步是：將FPT單體與氧化劑三氯化鐵按1：4混合溶于非水體系三氯甲烷溶液中，制得懸濁液，在反應(yīng)溫度為23X：下，攪拌2h后聚合反應(yīng)完畢。然后加入甲醇，洗去多余的氯離子，從而得到PFPT產(chǎn)率為80%.用該材料做的電極屬于第3類電極，其平均比容量為llF/g，工作電壓為3.0V，能量密度為39W.h/kg，功率密度可達(dá)丨800W/kg以上。

　　4結(jié)束語知識經(jīng)濟(jì)時代的新材料特征是：高性能化、高功能化、高智能化，復(fù)合化，極限化，仿生化，環(huán)境友文建國，等。Mn02在中性電介質(zhì)中的準(zhǔn)電容特性。中王曉峰，等。氧化釕/活性碳超級電容器電極材料電化學(xué)特性。電子元件與材料，2002，21（3）：1-5.文建國，等。超級電容器材料研究的辯證思維。東莞理工學(xué)院學(xué)報，2004，（上接第910頁）