ZnO模板法制备三维金属\氧化物复合材料阵列及其电化学性能研究(2)
参考文献23
1 引言
随着时代的发展与科技的进步，能源问题以日渐成为备受人们关注的重大题。化石能源面临枯竭、传统能源在使用过程中会对环境造成污染，这些问题的存在催生了对新能源及新储能设备的追求与探索。在这个背景下，超级电容器（Supercapacitors）应运而生。超级电容器以其优异的性能受到人们的关注并得到了广泛的应用。
1.1 超级电容器简介
1.1.1 超级电容器及性能
超级电容器，也被成为电化学电容器（Electrochemical Capacitors，ECs）。是二十世纪七十年代出现的一种新的储能设备[1]。因为电化学电容器的容量能够达到传统电容器存储容量最大值的上千倍，所以人们通常也称其为“超级电容器”。
超级电容器具有其他传统储能设备所没有的优良性能。表1-1展示了超级电容器、传统电容器和二次电池之间性能的比较。
表1.1超级电容器与传统电容器和二次电池的性能参数
超级电容器 传统电容器 二次电池
功率密度（w/kg） 500～10000 ﹥10000 50～200
能量密度（wh/kg） 1～20 ﹤0.1 20-100
循环寿命（次数） ﹥500000 无限次 500～2000
充放电效率（%） 90～98 ﹥95 70～85
充电时间 s～min 10-6-10-3s 1～5h
放电时间 s～min 10-6-10-3s 0.3～3h
工作温度范围（℃） -40-70 ～ 0～40
由表1.1可以看出与传统的储能设备相比，超级电容器的特性表现在：
（1） 高的功率密度和能量密度。相比与二次电池，超级电容器有极高的功率密度，可以达到500～10000W/kg，是二次电池的10～50倍。超级电容器的能量密度可以达到1～20wh/kg，与传统电容相比是其能量密度的10～200倍。
（2） 循环寿命长。由于超级电容器有结构稳定性好的电极材料，充放电过程中材料受到的影响较小，使超级电容器的使用寿命得到明显的增加。从表中的数据可以看到超级电容器的充放电循环可以达到50万次以上，是二次电池的上百倍。
（3） 充放电效率高。超级电容器的充放电效率普遍可以达到95%以上。
（4） 充放电时间短。超级电容器利用双电层和电极的氧化还原反应进行充放电，大电流密度的情况下，充放电过程只需要几秒到几分钟。二次电池需要几个小时。
（5） 工作温度范围宽。超级电容器的电极材料的性能基本不会受温度的影响，因此超级电容器可以在-40～70℃这个较宽的温度范围内工作。而二次电池的电容性在低温下会受到较大的影响而显著降低，通常工作范围只有0～40℃。
（6） 环保绿色且文护成本低。超级电容器基本不需要文护，特别碳基材料作为电极材料，性能稳定，低成本，环保绿色。
1.1.2 超级电容器的分类及工作原理
以电化学电容器储能机制不同作为依据，超级电容器可以分为：双电层电容（Electrical Double Layer Capacitor, EDLC）[2]、法拉第赝电容（Faraday Pseudo-Capacitors）[3]。
（1） 双电层电容。
双电层理论是双电层电容存储能量所依据的原理 [4,5]。理论认为，充电时到达并积聚在电极表面的电荷会吸引溶液中的离子，使离子在界面的溶液侧形成一个带电离子层。界面存在的势垒使两侧电荷无法穿越界面而进行中和，因此电荷和离子在界面的两侧堆积形成了双电层电容。双电层电容器的基本组成主要有三个部分，分别为电极、隔膜和电解液。充电时，电荷沉积在电极与电解液的界面处形成双电容层，电荷中的能量被存储了起来，充放电工作过程中无化学反应发生。