碳/镍铝层状双氢氧化物纳米复合材料的制备及其用于超级电容器性能研究文献综述

 2022-08-02 15:11:13

引言

由于石油资源日趋短缺、燃烧石油的内燃机尾气造成的环境污染越来越严重,亟需开发新的技术。虽然随着混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发,取得了一定的成效;但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点,一直没有很好的解决办法。近些年来人们对超级电容器的关注持续增加,从能量储存来看,超级电容器能够达到物理电容器的数十倍以上;并且超级电容器的循环寿命和比功率远远好于其它的电化学二次电池。如今,国内主要有10余家企业在进行超级电容器的研发。中国作为能源生产和消费大国,既要节能减排,又需要大量能源以支持经济的发展,这就需要大力发展能源储存技术。早在1879年,Helmholz 就发现了电化学双电层界面的电容性质,并提出了双电层理论。1957 年,全球首篇关于电容器的专利由美国研究员Becker 发表,作为一种环保、高效的储能器件,超级电容器开始受到世界各国的广泛关注[1]。1962年标准石油公司(SOHIO)生产了一种6 V的以活性碳(AC)作为电极材料、以硫酸水溶液作为电解质的超级电容器,并于1969年首先实现了碳材料电化学电容器的商业化。后来,该技术转让给日本NEC公司。1979年NEC公司开始生产超级电容器,用于电动汽车的启动系统,开始了电化学电容器的大规模商业应用,才有了超级电容器名称的由来。几乎同时,松下公司研究了以活性炭为电极材料、以有机溶液为电解质的超级电容器。美国、日本和俄罗斯等国家不仅仅在研发生产上走在前面,并且还建立了专门的国家管理机构,制定国家研发计划,由国家投入巨资和人力,积极推进。

1. 超级电容器概述

超级电容,发展于上世纪七、八十年代,又名电化学电容、双电层电容器、黄金电容、法拉电容,是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,不同于传统的化学电源,主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应,并且储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器作为一种新型能源存储设备其优势在于快速充电特性、长循环寿命和高功率密度[2-4]。早期的研究主要关于双电层电容器的电极材料—多孔碳材料,但是低能量密度的缺点极大地限制了它们的应用[5-8]。最近,基于氧化还原反应的超级电容器由于高比容量的优点而在新型能量存储设备领域显出极大的潜力[9,10]

2. 超级电容器的特点

(1)充电速度快,超级电容器充电至接近最大电量仅需10 s~15 min;

(2)循环使用寿命长,超级电容器充放电循环使用次数最高可达50万次,循环稳定性和电化学可逆性好;

(3)大电流放电能力强,能量转换效率高,能量循环效率最高可达到95%;

(4)功率密度高,最高可达10000 kW/g,是充电电池的10~100倍;

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