超级电容器：基本原理、分类及电性能

当前，储能系统在不同领域内扮演着越来越重要的角色，比较典型的领域如电动交通工具、电力系统等领域。在这种背景下，超级电容器作为一种储能技术，具有功率密度高、免维护、寿命长等优异性能成为学术界和产业界关注的热点。近几年来，超级电容器技术进步较快，尤其在学术界不断有新的技术突破见诸报道电容，在学术界支撑下，产业界在生产制造和应用端也取得了较大进展。

对此，储能联盟研究部对超级电容器研究现状和应用情况进行了追踪，并根据市场应用情况，对超级电容器未来发展趋势进行预测分析。

储能联盟将分两期与大家分享超级电容器的相关情况，本文为您详细介绍超级电容器的基本原理及分类以及超级电容器电化学性能。

超级电容器的基本原理及分类

本小节主要对超级电容器的电化学机理进行介绍，在超级电容器中能量主要存储与电极与电解质界面中，这种储能方式储能机理与使用的电极材料有很大关系，当一种超级电容器的两个电极使用了不同种类的材料，在这种情况下，对产品储能机理进行综合分析将不能全面理解超级电容器工作原理，基于此，本节将首先对超级电容器的工作原理进行简单介绍；然后对不同电极-电解质界面储能机制进行阐述，并根据电极及电解液不同对超级电容器进行分类，并介绍超级电容器一些电性能特征。

一、超级电容器工作原理

如图1所示，超级电容容器主要由集流体、电极、电解质以及隔膜等几部分组成，其中隔膜的作用和电池中隔膜的作用相同，将两电极隔离开，防止电极间短路，允许离子通过。超级电容器储能的基本原理是通过电解质和电解液之间界面上电荷分离形成的双电层电容来贮存电能。

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图1：超级电容器结构及工作原理示意图

二、能量存储机制

用于超级电容器电极和电解液制造生产的材料较多，为了深入的理解超级电容器能量存储机制，并对超级电容器的性能进行优化，通常需要利用循环伏安曲线和恒流放电两种实验来表征不同超级电容器电极性能。图2给出了不同能量存储机制下，超级电容器电极循环伏安及恒流放电曲线，其中a、c分别表示双电层电容、赝电容储存机制下，超级电容器电极的循环伏安曲线及恒流放电曲线；b、d分别表示法拉第电容储存机制下电容，超级电容器电极的循环伏安曲线及恒流放电曲线。

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图2:不同储存机制下双电层电容循环伏安曲线及恒流放电曲线

1.双电层电容储存机制

双电层效应是正、负电荷分离，分别在电极-电解质界面积累而形成。是活性碳、碳纤维、碳毡等碳材料超级电容器能量存储的主要机制。双电层效应的形成，主要是由电极表面高能导带电子增加或者减少，引起界面侧电解质溶液中正负电荷移动，用以平衡电极表面高能导带电子变化带来的电荷不平衡而形成。

考虑到电极表面电荷密度，取决于外加电压，双电层电容因电压不同而不同，双电层电容中电化学反应主要发生在电极表面，且通常是阴阳离子的吸附与脱附行为。双电层电容的循环伏安曲线呈现矩形形状如图2（a）所示，这类材料的恒流放电曲线呈线性关系,如图2（c）所示。

双电层效应发生在电子导体和离子导体界面，几乎所有的电化学储能系统都存在该现象。然而，在电解槽、燃料电池、电池中通常被认为是一种副反应，不被看作为主要能量存储机制。相反，超级电容器工作原理正是基于该效应，这就要求超级电容器在设计和研发过程中要尽量最大化该效应。

2. 赝电容储存机制

赝电容也称法拉第准电容，是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附，脱附或氧化，还原反应，产生和电极充电电位有关的电容。是金属氧化物、金属碳化物、导电聚合物超级电容器能量存储的主要机制，尽管这些反应与电池中反应很相似，两者电荷都经过了双电层电容，不同的是赝电容的形成更多的是由特殊的热力学行为导致的。赝电容的循环伏安曲线、恒流放电曲线与双电层电容相似。与双电层电容不同的是，赝电容能量密度较高，但受限于电化学反应动力学以及反应的不可逆性，导致赝电容的充放电功率、循环寿命都比双电层电容要小。需要指出的是，由于活性官能团的存在，大部分超级电容器电极都存在着赝电容，比如，由石墨烯等纳米材料组成的双电层电容电化学响应，主要是由碳材料缺陷引起的氧化还原反应形成。