超级电容器用Fe3O4Fe2O3核-壳多层次纳米棒阵列的设计和研究(2)
(2)主电源
超级电容器在汽车、铁路、电力等方面作为主电源具有很多优势，因而有着巨大的市场潜力。典型的应用有电动汽车、混合动力车[2]、电动车[3]等。超级电容器能在短时间内进行大功率放电，快速充电，而且有循环性能好，充放电次数大，能量回收效率高等优势，原材料来源广泛易于采购，适合频繁加减速、制动以及在特殊温度条件下的高功率放电，也可以保证在非正常条件下的如在高温或者低温中启动、加速的能力[4]。以超级电容器为主要供能设备的电动车辆，现在逐渐成为世界各国电化学研究机构的研究热点。
(3)辅助电源
相比于蓄电池超级电容器有更高的循环使用寿命和功率密度。因为其有循环效率高、自放电低、充放电次数高、循环寿命长等特点，故所以超级电容器适合用作某些设备辅助电源，比如应用于昼夜转换的需要光亮的场合。典型的应用有：电子广告牌、路标灯、汽车收费显示灯、交通信号灯等。如果把超级电容器和蓄电池结合组成复合电源，又可以弥补蓄电池功率密度不高的缺陷，应用在电动汽车中可以提供启动时需要的高功率放电电流，延长蓄电池的使用寿命。
然而，为了满足下一代电子设备的能量需求，超级电容器的能量密度还需要上升到一个更高的台阶。和传统的超级电容器相比，非对称超级电容器能在更宽的电位窗口下应用，这使得设备的能量密度有了实质性的增加。一枚典型的非对称超级电容器由两部分组成，一部分是电池式的感应电极（正极），作为能量源；另一部分是电容式电极（负极）作为功率源。尽管高能量密度的正极材料在合成方面已经取得了重大进展，但对于负极材料仍然需要做大量的研究。当前超级电容器常用的电极材料有：过渡族金属氧化物，碳材料、导电聚合物。碳基纳米级别的材料比如活性碳，石墨烯，碳纳米管等材料显出了极大的优势，因其具有较大的比表面积、较好的热稳定性、孔径分布可控、耐腐蚀性能好、廉价易得等特点被广泛使用。然而，碳材料过低的比容量严重限制了非对称超级电容器的能量密度，无法满足高能量密度和高功率密度这两大需求。
为降低能量密度对非对称超级电容器的性能限制，人们对高电容、高导通率的新型负电极的需求更加强烈。根据大量的实践经验我们知道，电极材料的成分、结构和电解液是影响超级电容器电化学性能的主要因素。其中电极材料的比表面积大小、孔隙分布、表面官能键以及中微孔的比例是影响电极材料电化学性能的主要因素。国内外科研人员已经在这方面做了很多研究，他们认为比容量与电极材料的比表面积呈线性关系，但是这一结论并不是符合所有情况，还应考虑其他因素的影响。目前对核-壳复合材料电负极的阵列密度，覆盖层厚度等因素对电极材料的影响各方面报道还不是很多，因此对这些因素进行探究，并制备出一种具有比表面积大、阵列分布可控、且电化学性能优异的电极材料已成当今电容器发展的一大趋势，并且可为人们在选择电极的过程提供更多的参考与选择，所以当今超级电容器电极材料的制备和优化是一项很有前景的工作。
1.1 超级电容器工作原理
根据储存电能机理的不同，超级电容器可以分为三类：电化学双电层电容器、法拉第准电容器以及混合超级电容器[5,6]。各类超级电容器的储能原理如下：
(1)电化学双电层电容器[7]：与目前广泛使用的电容器有一定差距，主要组成部分为两块正对的金属板，以及其中间的高介电常数介电层。当在两块电极板间加电压，就会对其充电，两块电极板可以存储符号不同的电荷，并能以电脉冲的形式快速放电。一百多年前，德国物理学家亥姆霍兹就提出了电极-界面双电层理论[8]。根据亥姆霍兹模型，在电解池中放置两个电极，再在电极上附加直流电（电压要小于电解质的分解电压），此时就会有“极化”现象发生在电极表面和电解质溶液的相界面上，电解质溶液中的正负离子会在已加电场的作用下向两电极移动。在此过程中，存在于电极表面的静止电荷也会吸引电解质溶液中的异号电荷。于是这两种在不同作用下聚集起来的电荷会在两相界面处与电极有一定距离的溶液一侧排成一列，在界面处形成紧密的电荷层 [9]。双电层电荷由于界面势垒的存在不可能越过两电荷层之间的间距而发生中和，从而能够形成稳定的双电层。双电层电容器最早就是在这个理论的基础上发展起来的。电化学双电层电容器正是利用电极和电解质溶液相界面处紧密排列的双电层电荷来储存能量的。当两电极之间的电势差低于电解质溶液的氧化还原电位是，超级电容器可以正常工作，电解液不会发生分解；反之，超级电容器将处于非正常状态，电解液将会被分解[10]。
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