简介

储能机理

电化学电容器

简介

电化学电容器（Electrochemical Capacitor, EC），又称作超大容量电容器（Ultracapacitor）和超级电容器（Supercapacitor）。它是一种介于电容器和电池之间的新型储能器件。与传统的电容器相比，电化学电容器具有更高的比容量。与电池相比，具有更高的比功率，可瞬间释放大电流，充电时间短，充电效率高，循环使用寿命长，无记忆效应和基本免维护等优点。因此它在移动通讯，消费电子，电动交通工具，航空航天等领域具有很大的潜在应用价值。

电化学电容器的单元由一对电极，隔膜和电解质组成，两电极之间为电子阻塞离子导通的隔膜，隔膜及电极均浸有电解质。用于电化学电容器电极材料的主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物等。碳基材料是目前工业化最成功的超级电容器电极材料，近来的研究主要集中在提高材料的比表面积和控制材料的孔径及孔径分布。目前的碳基材料主要有:活性炭粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管、纳米碳纤维等。碳基材料性能稳定,价格便宜,但电极内阻较大,不适合在大电流下工作。金属氧化物主要集中在二氧化钌(RuO2)的研究上，其电导率比碳基材料大两个数量级,且在硫酸溶液中稳定,比电容高达768 F/g ,是目前较理想的金属氧化物电极材料，但其昂贵的价格限制了它的广泛应用。因此寻找一种性能稳定，价格低廉的电极材料成为电化学电容器研究的一个热点。

研究发现Co(OH)2可以作为电化学电容器的替代材料，其比容量小于200F/g，而且制备过程复杂。掺杂Al可以提高活性物质的电化学性能，有利于保持电极材料在充放电过程中的结构稳定。因此在Co(OH)2中掺杂Al，形成Co-Al双氢氧化物结构的电极材料，将其用于超级电容器，将会提高超级电容器的比容量，循环寿命等电化学性能，更重要的是Co-Al的使用降低了制造成本，使大规模应用成为可能。

储能机理

从原理上讲，电化学电容器的电能存储机理有两种，一种是将电荷存储在电极/电解质溶液界面处电双层中，典型的发高比表面各炭为电极材料；另一种是利用发生在电极表面的二维或准二维法拉第反应存储电荷，一般以某些过渡金属氧化物为电极材料，典型的代表是二氧化钌(RuO2)。

电化学电容器

作者： 袁国辉 定价： ¥ 38.00 元

出版社： 化学工业出版社 出版日期： 2006年06月

ISBN： 7-5025-8217-7 开本： 16 开

类别： 电化学 页数： 236 页

简介

本书是《化学电源技术丛书》分册之一。全书共分8章，重点介绍了电化学电容器中双电层、碳材料、准电容、氧化钌材料、导电聚合物等的电容行为；影响电容器性能的电解质因素；电化学电容器的制备技术、生产方法及其研究进展等。全书章节编排逻辑性强、内容丰富、详略得当，具有理论结合技术、实用性强的特点。

目录

第1章绪论1

1 1电容器发展的历史1

1 2本书的内容6

参考文献7

第2章电化学电容器与电池8

2 1概述8

2 1 1能量的存储8

2 1 2电容器和电池的电能存储模式8

2 2法拉第和非法拉第过程10

2 3电容器类型和电池类型11

2 3 1可区分的体系11

2 3 2电容器的设计和等效电路12

2 4电容器与电池电荷存储密度的差别13

2 4 1每个原子或每个分子的电子密度13

2 4 2电化学电容器和电池可获得的能量密度比较14

2 5电容器和电池充电曲线的比较15

2 6循环伏安法评估的电化学电容器和电池充放电行为的比较16

2 7Li嵌入电极——过渡行为18

2 8非理想极化电容器电极的充电19

2 9电化学电容器与电池性能的总体比较20

参考文献22

第3章双电层及碳材料的电化学行为23

3 1概述23

3 2双层模型、结构及双层的性质25

3 2 1双层的模型和结构25

3 2 2双层中二维电荷密度28

3 2 3双层溶液一侧的离子电荷密度和离子间距29

3 2 4电子密度变化30

3 2 5穿过双层的电场31

3 3双层电容和理想极化电极33

3 4非水电解质中双层的行为和非水电解质电容器35

3 4 1非水溶液介质中双层电容行为的基础工作36

3 4 2几种非水溶液中的双层电容行为比较39

3 5用于电化学电容器的碳材料42

3 6碳材料的表面性质和官能团44

3 7碳材料的双层电容49

3 8用于双层型电容器的碳材料的材料学问题54

3 8 1用于电容器碳材料的热处理和化学处理54

3 8 2用于电化学电容器的碳材料需要进行的基础研究57

3 8 3碳表面自由基团的电子自旋共振特征57

3 8 4氧与碳表面的相互作用59

3 8 5嵌入的影响60

参考文献61

第4章准电容及氧化钌材料的电化学行为63

4 1准电容的起因及其理论处理63

4 1 1准电容的电吸附等温线处理——热力学方法65

4 1 2准电容的动力学理论72

4 2几种重要的准电容80

4 2 1重要准电容的电势范围80

4 2 2氧化还原和嵌入准电容的起源81

4 2 3与阴离子特性吸附和局部电荷迁移现象有关的准电容84

4 2 4高比表面积碳材料上的准电容行为85

4 2 5区分准电容（C?）和双层电容（Cdl）的方法85

4 3用于电化学电容器的氧化钌（RuO2）材料86

4 4氧化钌的制备、充放电机理及电化学行为91

4 4 1具有电容特性的RuO2膜的制备91

4 4 2电化学方法形成RuO2从单层到多层的转化92

4 4 3RuO2的状态和化学构造95

4 4 4RuO2的充放电机理98

4 4 5与RuO2和IrO2电极的循环伏安测试有关的氧化态100

4 4 6关于RuO2电容器材料充电机理的结论104

4 5氧化钌的其它性质及其它氧化物膜的准电容行为105

4 5 1RuO2充电和放电时的质量变化105

4 5 2RuO2电化学电容器电极的直流和交流响应行为106

4 5 3其它氧化物膜表现的氧化还原准电容行为107

4 5 4RuO2?TiO2膜的表面分析和结构109

4 5 5RuO2?TiO2复合电极的阻抗行为110

4 5 6IrO2的使用和行为112

4 5 7金属电极上氧化物膜行为的比较112

参考文献112

第5章导电聚合物膜的电容行为115

5 1概述115

5 2聚合工艺化学119

5 3导电聚合物与准电容有关的行为及循环伏安曲线的形式125

5 4以导电聚合物为活性材料的电容器系统的分类130

5 5其它方法的研究情况132

5 6其他进展138

参考文献139

第6章影响电容器性能的电解质因素141

6 1概述141

6 2电解质溶液的电导率及决定因素142

6 2 1电解质溶液的电导率142

6 2 2自由离子的迁移率146

6 2 3介电常数的作用和溶剂的给体性148

6 3电化学电容器研究中受到重视的电解质?溶剂体系150

6 3 1水溶液介质150

6 3 2非水溶液介质150

6 3 3熔融电解质153

6 4非水溶剂及用于电化学电容器的非水电解质溶液的性质153

6 5电解质传导性与电化学可用的表面积关系及多孔电极电化学电容器的功率

性能159

6 6充电时阴阳离子的分离和其对电解质局部电导率的影响160

6 7离子溶剂化因素及溶液性质161

第7章制备技术及评价方法169

7 1用于测试材料性能的小型碳基电容器电极的制备169

7 2基于RuOx的电容器电极的制备172

7 3采用聚合物电解质膜的RuOx电容器的制备173

7 4电容器的装配173

7 5电化学电容器的实验性评价175

7 6其它方面的测试178

第8章技术发展180

8 1电化学电容器的开发和技术发展情况180

8 2对材料的要求183

8 2 1电极183

8 2 2 碳电极材料184

8 2 3 碳材料的活化185

8 2 4 氧化物及氧化还原准电容体系186

8 2 5导电聚合物电极187

8 2 6电解质体系187

8 2 7实际设计问题及电容器堆188

8 2 8双极性电极190

8 2 9电容器装置的电流分布191

8 2 10按比例增大因素192

8 3技术现状194

8 3 1电极开发194

8 3 2氧化钌材料198

8 3 3其它方面的进展198

8 3 4自放电和热管理202

8 4影响电容器的其它可变因素204

8 4 1电容和电容器性能与温度的关系204

8 4 2充放电模式及倍率的影响207

8 5使用电化学电容器的安全性和对健康的损害207

8 6材料利用方面的近期进展208

8 7电化学电容器的商品化开发211

8 8电容器?电池混合体系在电动车上的应用219

8 9其它220

8 9 1市场状况220

8 9 2专利技术的概括221

8 10结束语221