超级电容器的挑战对策及发展

超级电容器的挑战对策及发展

唐秋平

东莞市东邦电子科技有限公司  东莞市  523000

摘要：随着电子行业的发展以及可持续发展，电子装置对供电的需求不断提高，而能量回收也在朝着以电能为主的方向迅速转移。上述要求既是新能源技术发展的动力，又是超级电容技术快速发展的动力。而随着新能源技术的迅速发展以及节能减排的不断深入，其在储能等方面的作用也越来越大。

关键词：超级电容器；电容器；电子双层电容器；电容器；混电容器；双电层理论

1超级电容器的基本理论

超级电容器是利用锂离子在电极与电解液之间的相互作用实现电能的储存与传输。在两侧施加电压时，正、负电子会聚集在相对的多孔电极上，同时，在有电场作用下，电解液中的正、负离子会聚集在相对的正、负极接眼板上，由此产生了两个集电极层。

1.1超级电容器与电池的异同

相比于常规的化学能量储存方式，超级电容器作为一种新型的能量来源，其能量储存方式以电极材料为基础。由于能量存储不存在任何化学反应，因此该反应具有可逆性。这也是为什么，超级电容器可以重复充电和放电数十万次，它的基本原理与其它类型的双层电容器相同，它也是通过活性炭的多孔电极与电解质形成的电双层结构，从而获得大容量。

超电容具有比普通电池更高的功耗和更快的充电速度等优点。但是，与传统的超级电容器相比，锂离子电池的能量密度要高得多，而且容量也要大得多。而且，因为其化学作用的原理，使其使用寿命大大延长，通常可以进行十万次的充电和放电；而电池的充放电次数则要少的多，铅蓄电池的充放电次数大约是500次，铿电池的充放电次数大约是1000-1500次。

1.2超级电容器的分类

因而，按照其工作机制和性能特点，可将其归类为多种类型。按其储存能量的机理，可将其划分为双极型和双极型；按照电极的材质，可将其分成三类：导电高分子电容器，金属氧化物电容器，炭电容器；按其所采用的电解液系统，可将其分成两类：一类是有机电解质电容，另一类是水性电解质电容；按照电化学电容结构及在电极上反应的差异，超级电容器可以被划分为两种类型，一种是对称型超级电容，另一种是非对称型超级电容。在这两种类型中，对称型电容是指两个电极的组成和反应完全一样的电容，非对称型电容比常规电容拥有更高的比能量，比二次电池拥有更高的比功率。

2超级电容器面临的挑战和对策

由于具有优异的性能，超级电容在军事、运输和工业等领域有着重要的应用。但是，超级电容从基础研究到商品化还有很大的距离，其中有3个问题亟待解决。

2.1循环稳定性问题

超级电容器的循环稳定性是衡量其性能的关键指标，是衡量其性能的关键指标。为了获得安全、耐久性和高性能的实用型超级电容，其关键问题之一就是如何提高其循环性能。

目前，对其循环性能的研究主要集中在电极材料。首先，由于电极材料种类的差异，其储能机理也不尽相同，例如，碳基材料的双电层性能较好，而金属化合物、聚合物等的充放电性能较差，因此，本项目拟对其进行深入研究。其次，研究新型电极材料的组成与性质对其循环稳定性的影响，探索新型高效的电化学储能体系，实现对锂离子电池的高效储能。第三，除了对电池的电化学稳定性进行分析外，还要对电池的质量负载、电流密度、电位窗口、温度、扫描速度、电解液成分等进行分析。

本项目拟从材料的微结构和形貌、电解液、表面包覆、杂质粒子的引入、复合材料的制备等5个角度来改善其循环性能。

新型的微结构形态对电解液在电极中的吸附与传输具有重要影响，因此，新型的微结构形态能够有效地提高锂电池的电化学性能。另外，由于其特殊的空间构型，还能为电解液的输运、嵌脱和释放等过程提供便利，进而提升其比容量。而对电子产品进行包装，则是保证其使用寿命的一个行之有效的手段。目前普遍认为，锂离子电池正极材料在锂离子电池中易发生不可逆的氧化，严重制约了锂离子电池的发展。为此，本项目拟采用高容量、高容量的碳包覆氮化物，对其进行包覆。其中，以水热法与高温烧结法相结合制备出TiN@C和VN@C。

在充分发挥包覆防护材料自身的优势的同时，包覆与包装也可以相互配合，发挥包覆与包装的双重效应，实现长期稳定运行。例如，通过V2O5与PPy的协同效应，实现V2O5@PPy的可控合成。

目前，在对其进行包覆和调控的同时，还能在其表面掺杂原子、离子或纳米等杂质，从而改善其循环性能。目前，对异质元素进行掺杂，尤其是对碳元素进行掺杂，已成为一个热门课题。由于元素的加入，将导致原有物质的结构形貌、电子浓度等发生改变，从而导致某些元素在原有物质中被替代。在此基础上，通过元素的元素掺杂，可以有效地改善电极材料的循环性能。同时，P、O元素的共同掺杂使炭的比容量大幅增加，这也表明，在炭的比容量上，通过掺杂元素的加入，使炭的比容量大幅增加。此外，在锂电池中加入纳米粒子，还能为锂电池正极材料的充放电提供必需的电荷传输途径，从而改善其循环性能。比如，在锂离子电池中加入金纳米粒子，能够改善电池的导电性能，减少载流子在锂离子电池中的传输，进而改善电池的循环性能。此外，金粒子也可以通过对聚苯胺进行掺杂来改善其电化学性质。在此基础上，通过两类金属氧化物的协同作用，构建具有优异电容特性的新型纳米材料，是目前超级电容器领域的一个新的发展趋势，也是当前的一个热门课题。

2.2能量密度问题

目前，由于其工作电压比较小，导致了其储能密度偏低。目前，由于比容量、比容量与应用需求之间的较大差距，因此，提升比容量仍然是该领域的重点和难点。

一方面，在制备过程中，改善材料的制备技术，可以进一步提升材料的比表面积。由于储能密度较小，所以需要体积较大的装置，所以这些装置并不紧密。因此，本项目拟从改善双电层电容和双电层电容的比表面积、增加双电层电容的工作电压窗口等方面入手，研究双电层电容的储能机理。同时，为了使其在高压下具有较高的容量，其电极材料、电解液等关键技术也必须进行革新与升级，以提升其比容量。

近年来，人们对高比表面积、宽电压窗口的新型电极材料进行了大量的研究。若上述拓展成功，则其比容量有望达到锂离子电池的水平。

超级电容因其巨大的储能能力，其瞬间处理能力极强。在此基础上，研究负载特征、负载波动或外界环境、突发干扰等因素对电力系统稳定的影响，建立合理的电力系统参数建模方法，对于电力系统稳定运行具有十分重要的意义。

2.3自放电问题

自放电率是指电解液中无用的化学反应导致的电能损失，与电解液中的电解液成分、电解液成分、电解液成分等因素有关。由于电极材料是一种以界面反应为主要能量存储方式的新型电极材料，其自放电现象十分突出，极大地制约了其广泛的应用。Smith等对商业化超级电容器（2000F）、铿离子电容器（2200F）、铿离子电池（2.4Ah）三者在充电态下的自放电行为进行了对比。在72小时的充放电过程中，其储能损耗达到了22%，大大超过了锂离子电池的3%。因此，在超级电容中，自放电是一个不容忽视的问题，而过度的自放电还可能造成能量不足等问题。所以，对其进行有效的自放控制，对于改善其商业应用效果有着重要的理论和现实意义。

因此，必须从根源上消除其对超级电容的影响。在此基础上，既要增强双电极结构的稳定性，又要在某种意义上实现混杂反应的有效抑制。从活性物质和各种无反应物质出发，对各种自放过程中的快速控制步骤进行了严密的控制。

3超级电容器的前景预测

在电子产业化发展的进程中，电子设备对电源的要求也会随着时间的推移而不断提高，比如需要电源具备大容量、便携性等。这种需求的增加必然会推动新型电源的发展，因此，超级电容器也顺势而起，快速发展起来。另外，随着全球能源危机的加剧，人们对环境保护的认识也越来越强烈，人们对洁净能源的需求也越来越强烈。同时，随着新能源技术的迅速发展，以及在节能方面的广泛使用，也推动了超级电容的应用范围越来越广。

3.1柔性装置和微型化

在便携、可穿戴电子器件等领域快速发展的今天，柔性能量存储器件逐渐受到人们的青睐。发展柔性、小型化的高性能储能器件是当前研究的热点和难点。然而，常规的超级电容因其不具有柔性，严重制约了电池的外形，导致电池的电化学性能显著下降。因此，与便携电子器件香精相容的软质超级电容将成为下一代软质储能器件的主流。与常规的非柔性型超级电容器相比，柔性型超级电容器在正负电极、电解质、隔膜、集液器、包装等方面都具有柔性，可实现柔性型超级电容器的“轻薄”、“轻质”的智能设计，提高其在柔性、可穿戴等领域的潜在应用价值。

当前，关于可弯曲电极与可弯曲电容的研发已成为一个巨大而又复杂的系统。目前，对柔性超级电容的研究主要集中在一维光纤和两维平板两个方面。可弯曲的电极是实现可弯曲的电子元件的前提。当前，有许多种可用于制作柔性电极的方法。将活性物质、柔性基底和电解质相结合的柔性电极，具有工艺简单，柔韧性和电化学性能良好等优点，也将是未来的主要发展方向。

3.2复杂化

目前，提高其比容量的一个重要途径是构筑一种新型的复合电极材料——超级电容。杂化-以锂/钠/钾/镁为代表的一类超电容，既保留了传统的超电容的高比容量，又保留了传统二次电池的高比能。同时，该类器件还具备较高的循环能耗和较高的价格优势。通过本项目的研究，提出了具有高功率、高能量密度的杂化超级电容器作为新型能源的新思路。如此一来，超级电容器就可以和二次电池竞争了。

3.3智能化和透明化

随着智能电子设备的迅速发展，越来越多的研究者开始关注具有多功能的电化学能量存储装置。同时，人们还发现，具有弹性的、透明的、易弯曲的超级电容具有很好的抗变形能力。这就为完全透明的电子器件理念的产生奠定了基础。在将来，兼具电致变色、形状记忆和自愈合等多种性能的超级电容将会吸引人们的目光。

3.4高性价比

在超级电容器中，不仅要考虑制造过程，还要考虑到材料的选择。为了进一步改善其综合性能，本文着重对其电极及电解液进行了研究。其主要内容包括：①采用新的电极材料；②不同类型的正极材料之间的匹配问题；③复合式超级电容。

因此，本项目认为，在新能源汽车、可穿戴电子产品等领域，超级电容器的发展速度将会越来越快、越来越深入。

结语

目前，超级电容器是一种新兴的、绿色、高效率的、与新能源发展紧密相连的储能器件，其应用前景广阔，是以新能源替代传统能源的发展方向。该器件因其充电时间短，温度特性好，寿命长，绿色节能等优点而倍受人们的重视。最近几年，国家更是一直都在制定有关的政策，对超级电容器产业进行支持，因此，在将来，超级电容器将会取代传统电池发电和储能，这将是一种不可避免的趋势。

然而，由于其循环稳定性差、能量密度低、自放电现象突出，使得其受到了锂离子电池（以镍氢电池为主）和锂离子电池（以锂离子电池为主）的“影子”，其产业化进程还处在起步阶段。在市场上，也以以副电源为主，而以主电源为主。由于其诸多缺陷，使其在实际中的应用与开发面临着一系列的严重挑战。同是一种新材料，与镍氢电池、铿电池等新型电池相比较，一方面，由于国家、政府，以及大投资商对超级电容器研发的资金扶持力度比较低，这对技术的进步和发展造成了很大的影响，这也造成了在许多领域中，超级电容器被忽视。另外，尽管与其它新材料相比，在使用上具有明显的优越性，但是作为其主体的活性碳的市场价依然很高，使得其生产成本依然偏高。因此，如果要扩展超级电容的使用范围，那么就必须要在经济上得到更大的支持，加快研发速度，这样实验室就可以更快速地解决成本高、能量密度低等一系列问题，最终将更优质、具有更高性价比的产品推向市场，而市场又会对其进行反馈，从而促进其进一步的发展，最终形成一个良性循环。而在储能方面，由于其在储能、储能、储能等方面的巨大优势，决定了其在储能、储能、储能等方面的应用前景。

毫无疑问，虽然有一系列的问题，但超级电容器所具有的使用寿命久、高充放电效率等无可比拟的优点，如果能够找到一个合适的发展环境，那么它的发展前景将会非常广阔。可以预测，在下一个十年内，超级电容将成为天然能量收集与传输领域中最关键的支撑材料，尤其是起动-停车装置中使用的超级电容，将成为其市场的主流。

参考文献

[1]郑佳红，白昕.原位硒化法制备NiSe/Mo_(15)Se_(19)电极材料及其在超级电容器中的应用[J/OL].硅酸盐学报:1-9.

[2]邵国柱，姜汉兵，许检红等.基于Prophet算法的超级电容器模组寿命预估方法[J].自动化应用，2023，64(14):107-109.

[3]吴云鹏，王晓峰，李本仙等.杂原子掺杂石墨烯的制备及其作为超级电容器电极材料[J].化学进展，2023，35(07):1005-1017.

[4]杨光，姜瑞婷，张玥等.五氧化二钒/碳纳米复合材料在超级电容器中的应用[J/OL].化工进展:1-19.

[5]张学民，贺冠宇，尹绍奇等.多孔生物质碳材料的制备及其在超级电容器中的应用研究进展[J/OL].过程工程学报:2-12+1.

[6]刘慧敏，李克智，张欣等.碳化硅纳米材料及其衍生碳在超级电容器领域的应用[J/OL].物理化学学报:1-18.