《儲(chǔ)能功能材料》第十章“能量的彈簧”—超級(jí)電容器材料目錄引言一超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理二超級(jí)電容器儲(chǔ)能材料分類三超級(jí)電容器應(yīng)用四目錄引言一超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理二超級(jí)電容器儲(chǔ)能材料分類三超級(jí)電容器應(yīng)用四超級(jí)電容器，又稱電化學(xué)電容器或雙電層電容器，是一種介于二次電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能裝置，具有功率密度高、快速充放電能力以及長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)超級(jí)電容器基于電極材料表面或界面處的電荷吸附與脫附過程進(jìn)行充放電，在極短的時(shí)間內(nèi)完成能量的存儲(chǔ)與釋放。電容像一個(gè)“彈簧”，在“一壓一彈”實(shí)現(xiàn)能力的儲(chǔ)存和釋放引言超級(jí)電容器裝置在儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景[1]ChemicalReviews,2018,118(18):9233-9280.本章從超級(jí)電容器的儲(chǔ)能原理展開介紹，包括超級(jí)電容器的組成和多類型超級(jí)電容器基本工作原理兩部分；進(jìn)而根據(jù)超級(jí)電容器的材料進(jìn)行分類，對(duì)電極材料、電解質(zhì)材料及隔膜材料進(jìn)行詳細(xì)介紹；最后介紹目前超級(jí)電容器的應(yīng)用領(lǐng)域引言目錄引言一超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理二超級(jí)電容器儲(chǔ)能材料分類三超級(jí)電容器應(yīng)用四超級(jí)電容器的能量密度高于傳統(tǒng)電容器2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，功率密度是電池的10倍以上，廣泛用于高功率用電領(lǐng)域，是很有發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能器件超級(jí)電容器的組成結(jié)構(gòu)和電池類似，主要包括雙電極、電解質(zhì)和隔膜三個(gè)部分。其中，超級(jí)電容器的電解質(zhì)多為導(dǎo)電液體或固體，能夠在兩個(gè)電極之間形成一個(gè)電荷分離的界面超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理超級(jí)電容器的組成贗電容器結(jié)構(gòu)示意圖[1]ChemicalReviews,2018,118(18):9233-9280.[2]Nanoscale,2011,3(3):839-855.根據(jù)電極活性材料存儲(chǔ)電荷機(jī)理的不同，超級(jí)電容器可分為雙電層電容器、贗電容電容器和混合型超級(jí)電容器超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理超級(jí)電容器的工作原理[1]EnergyReports,2020,6:2768-2784.贗電容器工作機(jī)制混合型超級(jí)電容器工作機(jī)制雙電層電容器工作機(jī)制雙電層電容器在工作時(shí)，將電解液中的離子可逆地吸附到高比表面積的碳材料電極中，利用在電解液/電極界面形成的雙電層來存儲(chǔ)電荷充電時(shí)，電容器的正負(fù)極板分別吸引負(fù)、正電荷。通過表面電荷遷移，電極與溶液界面之間形成雙電層，從而使正極電位升高，負(fù)極電位降低，兩極板間形成電場(chǎng)。由此，電荷被分離并存儲(chǔ)在電極與電解質(zhì)之間的界面上，實(shí)現(xiàn)了電能的存儲(chǔ)雙電層電容器超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理[1]EnergyReports,2020,6:2768-2784.[2]SolidStateNuclearMagneticResonance,2016,74:16-35.雙電層電容器工作機(jī)制未充電情況充電情況雙電層電容器在工作時(shí)，將電解液中的離子可逆地吸附到高比表面積的碳材料電極中，利用在電解液/電極界面形成的雙電層來存儲(chǔ)電荷放電時(shí)，電極板上的電荷被外電路釋放，界面上的電位逐漸回歸初始狀態(tài)，電解質(zhì)中的離子也重新變成混亂無序的狀態(tài)，超級(jí)電容器儲(chǔ)存的電能被釋放超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理[1]EnergyReports,2020,6:2768-2784.[2]SolidStateNuclearMagneticResonance,2016,74:16-35.未充電情況充電情況雙電層電容器工作機(jī)制雙電層電容器贗電容器與雙電層電容器在電荷存儲(chǔ)原理和電極材料方面存在差異充電時(shí)，在贗電容器一端施加電壓，電解質(zhì)離子便移動(dòng)到極性相反的極化電極上形成雙電層。電解質(zhì)中的離子通過電吸附作用滲透進(jìn)雙電層中，將會(huì)產(chǎn)生贗電容，并發(fā)生離子與電極間快速可逆的電子轉(zhuǎn)移，從而引起電極材料氧化數(shù)的變化。該過程中被吸附的離子與電極不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只存在電荷轉(zhuǎn)移贗電容器超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理[1]Nanoscale,2011,3(3):839-855.[2]Chemicalreviews,2018,118(18):9233-9280.贗電容器工作機(jī)制欠電位沉積氧化還原贗電容插層贗電容欠電位沉積氧化還原贗電容插層贗電容贗電容器與雙電層電容器在電荷存儲(chǔ)原理和電極材料方面存在差異放電時(shí)，則相反。通過這種可逆的電極氧化還原反應(yīng)和離子電吸附過程，實(shí)現(xiàn)了電子電荷在電極和電解質(zhì)之間的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而儲(chǔ)存電能。贗電容器基于快速可逆的法拉第氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能機(jī)理，擁有比雙電層電容器更高的比電容。贗電容型電極材料包括金屬氧化物電極材料和導(dǎo)電聚合物電極材料等贗電容器超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理[1]Nanoscale,2011,3(3):839-855.[2]Chemicalreviews,2018,118(18):9233-9280.贗電容器工作機(jī)制混合型超級(jí)電容器又稱為非對(duì)稱型超級(jí)電容器，其正負(fù)極是由不同類型的電極材料構(gòu)成。相比之下，雙電層電容器或贗電容器等對(duì)稱型超級(jí)電容器的正負(fù)極材料相同。因此，對(duì)稱性型超級(jí)電容器的兩電極在充放電過程中發(fā)生同樣的儲(chǔ)能行為目前，混合型超級(jí)電容器最常用一種的組合方式為：碳材料作為負(fù)極、贗電容材料作為正極。通過這種組合方式形成的混合型超級(jí)電容器可以實(shí)現(xiàn)較高的工作電壓混合型超級(jí)電容器超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理[1]ElectrochimicaActa,2020,331:135285.一種用于Li+

回收和釋放的混合超級(jí)電容的電化學(xué)過程目錄引言一超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理二超級(jí)電容器儲(chǔ)能材料分類三超級(jí)電容器應(yīng)用四超級(jí)電容器材料可分為電極材料、電解質(zhì)材料以及隔膜材料超級(jí)電容器材料分類電解質(zhì)材料碳基電極材料過渡金屬化合物電極材料導(dǎo)電高分子電極材料電極材料隔膜材料聚丙烯隔膜材料聚乙烯隔膜材料聚氨酯隔膜材料……水系電解質(zhì)材料有機(jī)電解質(zhì)材料其他電解質(zhì)材料[1]/images[2]AdvancedEnergyMaterials,2013,3(7).[3]ChemicalEngineeringJournal,2019,373:1012-1019.超級(jí)電容器的電極材料可分為碳基電極材料、過渡金屬化合物電極材料以及導(dǎo)電高分子電極材料等。這些電極材料在超級(jí)電容器中起著關(guān)鍵作用，各自具有獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)具體需求選擇合適的材料組合以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的性能和應(yīng)用效果電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料[1]IonicLiquidsII,2018:29-53.[2]ChemicalEngineeringJournal,2021,412:128611.[3]JournalofAlloysandCompounds,2023,947:169490.分子尺度的電化學(xué)雙層電容器超級(jí)電容器Bi2O3/Bi12Mn12O44

復(fù)合電極材料基于過渡金屬化合物的超級(jí)電容器碳基電極材料具有高導(dǎo)電性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)秀的機(jī)械性能等優(yōu)勢(shì)，是超級(jí)電容器理想的電極材料之一目前，應(yīng)用于超級(jí)電容器的碳基材料主要有活性炭、碳納米管和石墨烯及其衍生物等碳基電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料活性炭和活性炭纖維活性炭是雙電層電容器中應(yīng)用最廣泛的活性材料之一，具有比表面積高，價(jià)格相對(duì)較低等特點(diǎn)活性炭纖維，亦稱纖維狀活性炭或表面性固體，是一種繼粉狀和粒狀活性炭之后的第三代活性功能材料活性炭纖維的孔隙90%以上是直接開口于纖維表面的微孔，幾乎沒有大孔，只有少量中孔，孔徑分布相對(duì)均勻。因此豐富的多孔結(jié)構(gòu)提高了活性炭纖維的吸附容量和吸附效率（a）活性炭纖維孔隙結(jié)構(gòu)示意圖；（b）活性炭顆?？紫督Y(jié)構(gòu)示意圖[1]RenewableandSustainableEnergyReviews,2016,58:1189-1206..碳基電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料石墨烯與碳納米管電極材料石墨烯作為單層離散的石墨材料，整個(gè)表面均可形成雙電層，因此比電容遠(yuǎn)高于其他的碳材料碳納米管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，其徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)。碳納米管是一種重要的碳基電極材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。碳納米管的高導(dǎo)電性提升了電子在電極材料中的移動(dòng)速度，從而提高了超級(jí)電容器的充放電速度[1]/images[2]NonferrousMetalsScienceandEngineering,2012,3(3):27-32.碳基電極材料具有高導(dǎo)電性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)秀的機(jī)械性能等優(yōu)勢(shì)，是超級(jí)電容器理想的電極材料之一目前，應(yīng)用于超級(jí)電容器的碳基材料主要有活性炭、碳納米管和石墨烯及其衍生物等過渡金屬化合物作為電極材料時(shí)，電極活性物質(zhì)能夠發(fā)生快速可逆地氧化還原反應(yīng)，從而提高了贗電容器的比電容過渡金屬化合物電極材料包括過渡金屬氧化物材料、過渡金屬氫氧化物材料和過渡金屬硫化物材料等過渡金屬化合物電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料過渡金屬氧化物電極材料過渡金屬氧化物電極材料（如氧化鋅、氧化鐵、氧化銅和氧化釕等），主要通過法拉第效應(yīng)儲(chǔ)存電能，在發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)快速傳遞電子以氧化釕為例：當(dāng)超級(jí)電容器充電時(shí)，一個(gè)電極會(huì)吸附氫離子，另一個(gè)電極則釋放氫離子。放電時(shí)，原來吸附氫離子的電極會(huì)轉(zhuǎn)為釋放氫離子，原本釋放氫離子的電極則轉(zhuǎn)為吸附氫離子。在整個(gè)充放電過程中，氫離子在氧化釕晶體內(nèi)部循環(huán)運(yùn)動(dòng)，電解質(zhì)中氫離子的濃度保持不變。因此，以氧化釕為代表的一些過渡金屬氧化物可以提供高比容量和快速的充放電性能不銹鋼核殼MnO2@CNTs復(fù)合電極[1]InternationalJournalofHydrogenEnergy,2020,45(53):28930-28939.過渡金屬化合物電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料過渡金屬氫氧化物電極材料過渡金屬氫氧化物主要是指基于鈷的氫氧化物。有序的結(jié)構(gòu)、適合的分層孔隙度和良好的導(dǎo)電性能使得氫氧化鈷系列材料擁有了較高的比電容，因而適用于超級(jí)電容器電極材料用于超級(jí)電容器-電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的非晶鎳鈷錳氫氧化物[1]EnergyStorageMaterials,2019,17:194-203.過渡金屬化合物作為電極材料時(shí)，電極活性物質(zhì)能夠發(fā)生快速可逆地氧化還原反應(yīng)，從而提高了贗電容器的比電容過渡金屬化合物電極材料包括過渡金屬氧化物材料、過渡金屬氫氧化物材料和過渡金屬硫化物材料等過渡金屬化合物電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料材料特性優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)氧化銥高電化學(xué)性能優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性價(jià)格較高氧化釕高比容量、高導(dǎo)電性提供高能量密度和快速充放電能力價(jià)格昂貴，成本較高復(fù)合氧化釕與碳復(fù)合材料、與其他氧化物復(fù)合材料、與導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料降低成本，提高性能可能存在界面穩(wěn)定性問題氧化鎳高比電容、良好倍率性能、穩(wěn)定性、綠色無毒儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、環(huán)保電化學(xué)性能一般納米氧化鎳納米線、納米帶、多孔膜等不同形貌提高性能制備工藝較為復(fù)雜氫氧化鈷高比電容較高的電化學(xué)性能活性物質(zhì)含量低氫氧化鈷復(fù)合材料與碳納米管、石墨烯等復(fù)合有序結(jié)構(gòu)、提高導(dǎo)電性制備工藝可能復(fù)雜，成本可能增加常見過渡金屬氧化物和氫氧化物電極材料[1]EnergyandEnvironmentalScience,2015,8(3):702-730.過渡金屬化合物電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料過渡金屬硫化物電極材料過渡金屬硫化合物，主要包括硫化物和硒化物，也被廣泛用于超級(jí)電容器電極材料。通常情況下過渡金屬硫化物導(dǎo)電性優(yōu)于過渡金屬氧化物和氫氧化物，更有利于電極活性物質(zhì)充分參與電化學(xué)儲(chǔ)能過程。但在大電流密度下，過渡金屬硫化物的性能仍需進(jìn)一步提高[1]ACSomega,2022,7(31):27703-27713.用于混合超級(jí)電容器的CuS@Ni-Co層狀雙層氫氧化物納米籠過渡金屬化合物作為電極材料時(shí)，電極活性物質(zhì)能夠發(fā)生快速可逆地氧化還原反應(yīng)，從而提高了贗電容器的比電容過渡金屬化合物電極材料包括過渡金屬氧化物材料、過渡金屬氫氧化物材料和過渡金屬硫化物材料等導(dǎo)電高分子電極材料是一類具有優(yōu)異導(dǎo)電性和電化學(xué)性能的高分子材料，通過充放電過程中的氧化還原反應(yīng)來儲(chǔ)存電荷，從而實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度的輸出。導(dǎo)電高分子電極材料具有成本低、易合成、比容量高、環(huán)境穩(wěn)定性好，以及導(dǎo)電性能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)電高分子電極材料的種類眾多，可大致分為兩類：復(fù)合型導(dǎo)電聚合物和結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電高分子電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料復(fù)合型導(dǎo)電聚合物復(fù)合型導(dǎo)電聚合物以高分子結(jié)構(gòu)材料為基質(zhì)，與導(dǎo)電性填料（如碳系材料、金屬、金屬氧化物等）通過分散復(fù)合、層積復(fù)合、表面復(fù)合或梯度復(fù)合等方法制備得到，通過導(dǎo)電填料提供載流子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電過程。這類復(fù)合型導(dǎo)電聚合物的本征聚合物本身具有良好的機(jī)械性能，通過與導(dǎo)電填料結(jié)合后，提升了導(dǎo)電性能，因此可作為超級(jí)電容器的電極材料[1]AdvancedMaterials,2020,32(5):1902387.導(dǎo)電高分子電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物，也被稱作本征型導(dǎo)電聚合物，是指本身可提供載流子的聚合物，或經(jīng)過摻雜之后具有導(dǎo)電功能的聚合物。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物一般為共軛型高聚物，根據(jù)導(dǎo)電機(jī)理不同可分為離子型導(dǎo)電聚合物、電子型導(dǎo)電聚合物和氧化還原型導(dǎo)電聚合物[1]JournalofPowerSources,2011,196(1):1-12.導(dǎo)電高分子電極材料是一類具有優(yōu)異導(dǎo)電性和電化學(xué)性能的高分子材料，通過充放電過程中的氧化還原反應(yīng)來儲(chǔ)存電荷，從而實(shí)現(xiàn)高能量密度和高功率密度的輸出。導(dǎo)電高分子電極材料具有成本低、易合成、比容量高、環(huán)境穩(wěn)定性好，以及導(dǎo)電性能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)電高分子電極材料的種類眾多，可大致分為兩類：復(fù)合型導(dǎo)電聚合物和結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物導(dǎo)電高分子電極材料超級(jí)電容器材料分類-電極材料[1]NanoEnergy,2017,36:268-285.類別定義與特性舉例應(yīng)用復(fù)合型導(dǎo)電聚合物以導(dǎo)電能力較差的高分子結(jié)構(gòu)材料為基質(zhì)，與導(dǎo)電填料復(fù)合聚丙烯與石墨烯復(fù)合物、酚醛樹脂與碳納米管復(fù)合物具有良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定性，通常與其他材料復(fù)合以提高電極性能結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電聚合物離子型以陰、陽離子為主要載流子的導(dǎo)電聚合物，具有電解質(zhì)的性質(zhì)聚酯與金屬鹽復(fù)合物、聚醚與堿金屬絡(luò)合物導(dǎo)電能力與溫度相關(guān)，適用于電解質(zhì)類應(yīng)用電子型載流子為自由電子或空穴共軌導(dǎo)電高分子具有電子導(dǎo)體現(xiàn)象，適用于高導(dǎo)電性應(yīng)用氧化還原型以氧化還原反應(yīng)為電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，具有可逆的氧化還原反應(yīng)活性體含有能發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)的結(jié)構(gòu)適用于需要可逆電子轉(zhuǎn)移的應(yīng)用超級(jí)電容器導(dǎo)電聚合物電極材料分類電解質(zhì)的主要功能是輸運(yùn)離子，在充放電過程中，電解質(zhì)中的離子在電極之間進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電能的儲(chǔ)存和釋放。在選擇電解質(zhì)材料時(shí)，需要綜合考慮電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性、使用溫度范圍、離子尺寸與電極材料孔徑匹配度以及環(huán)境友好性等因素電解質(zhì)材料超級(jí)電容器材料分類-電解質(zhì)材料超級(jí)電容器原理與可拉伸超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)[1]ACTAPHYSICASINICA,2020,69(17).[2]Naturecommunications,2016,7(1):1-8.一種超級(jí)電容器固體電解質(zhì)水系電解液基于水溶液作為電解質(zhì)載體，是最早應(yīng)用于超級(jí)電容器的電解質(zhì)材料之一。水溶液中的離子具有較高的遷移率和濃度，因此水系電解質(zhì)材料具有良好的離子傳輸性能，使超級(jí)電容器在高功率輸出時(shí)具有了更低的內(nèi)阻和更高的能量效率。水系電解液主要成分是水，在使用過程中對(duì)環(huán)境的影響較小，具有環(huán)境友好的特點(diǎn)水系電解質(zhì)材料超級(jí)電容器材料分類-電解質(zhì)材料水系電解液優(yōu)勢(shì)[1]SmallStructures,2020,1(1):2000020.[2]Science,2015,350(6263):938-943.[3]ChemSusChem,2021,14(12):2501-2515.Water-in-Salt水系電解質(zhì)體系有機(jī)電解液主要由電解質(zhì)鹽、有機(jī)溶劑和添加劑組成。有機(jī)系電解液的優(yōu)點(diǎn)主要包括：電化學(xué)窗口寬泛穩(wěn)定、分解電壓高、腐蝕性弱、工作溫度范圍寬等有機(jī)電解質(zhì)材料超級(jí)電容器材料分類-電解質(zhì)材料項(xiàng)目酸性電解液堿性電解液中性電解液主要成分硫酸、鹽酸、硝酸等強(qiáng)酸氫氧化鉀、氫氧化鈉等強(qiáng)堿鋰鹽、鉀鹽、鈉鹽等中性鹽電導(dǎo)率較高較高較低腐蝕性較強(qiáng)較低較低安全性使用時(shí)需注意安全，腐蝕性較強(qiáng)安全性較高，但高溫下需注意三者之中安全性最高環(huán)保性可能含有對(duì)環(huán)境有害的化學(xué)物質(zhì)較為環(huán)保環(huán)保pH值酸性（PH值小于7）堿性（PH值大于7）中性（PH值接近7）溫度適應(yīng)性溫度范圍較寬需要較高溫度使電解質(zhì)分子活躍溫度范圍較寬電解液黏度較低較高中等[1]ChemicalSocietyReviews,2015,44(21):7484-7539.室溫離子液體也被稱為室溫熔鹽、室溫熔融鹽、有機(jī)離子液體，簡(jiǎn)稱離子液體，是一種由陰、陽離子構(gòu)成的物質(zhì)，在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)綜合性能較好的離子液體電解液主要包括咪唑鹽、烷基季銨鹽、烷基哌啶鹽、烷基吡咯鹽等。由于純離子液體的黏度較大，且電導(dǎo)率較低，不適宜直接作為電解液，可通過向離子液體中添加適當(dāng)?shù)娜軇?，降低電解液黏度并提高其電?dǎo)率，從而使其更適于作為超級(jí)電容器電解液其他電解質(zhì)材料超級(jí)電容器材料分類-電解質(zhì)材料離子液體的儲(chǔ)能機(jī)制及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用[1]FrontiersinChemistry,2020,8:261.基于離子液體的鋰離子電容器結(jié)構(gòu)示意圖先進(jìn)超級(jí)電容器用離子液體電解質(zhì)的挑戰(zhàn)與前景固態(tài)電解質(zhì)材料，又稱為“超離子導(dǎo)體”或“快離子導(dǎo)體”，是一類在固態(tài)時(shí)具有與熔融鹽或液體電解質(zhì)相當(dāng)離子電導(dǎo)率的材料在固態(tài)電解質(zhì)中，通過內(nèi)部的缺陷和空位實(shí)現(xiàn)離子的遷移。理想的無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)材料應(yīng)具有高離子電導(dǎo)率、低電子電導(dǎo)率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、較小的晶界電阻、合適的熱膨脹系數(shù)、較高的電化學(xué)分解電壓、環(huán)境友好、原料廉價(jià)易得和易制備等特點(diǎn)其他電解質(zhì)材料超級(jí)電容器材料分類-電解質(zhì)材料[1]JournalofPowerSources,2019,432:16-23.[2]AdvancedMaterials,2020,32(5):1902387.水凝膠態(tài)、固態(tài)和含離子液體的溶膠-凝膠態(tài)固態(tài)超級(jí)電容器和可重構(gòu)多孔PVA膜的一半示意圖一種準(zhǔn)固態(tài)超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)隔膜將超級(jí)電容器的正極和負(fù)極分隔開，可防止電解質(zhì)中的離子直接穿透導(dǎo)致正負(fù)極短路，但允許離子在電場(chǎng)的作用下通過其微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行遷移，實(shí)現(xiàn)電荷的儲(chǔ)存和釋放，從而保證超級(jí)電容器的正常充放電功能隔膜也為超級(jí)電容器的電極材料提供了一定的機(jī)械支撐，有助于維持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性隔膜材料超級(jí)電容器材料分類-隔膜材料[1]ACSEnergyLetters,2022,8(1):56-78.超級(jí)電容器的商用隔膜以及最近開發(fā)的隔膜材料隔膜特性對(duì)超級(jí)電容器性能的影響目錄引言一超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理二超級(jí)電容器儲(chǔ)能材料分類三超級(jí)電容器應(yīng)用四超級(jí)電容器具有優(yōu)異的電化學(xué)性能使其在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域[1]/images[2]AdvancedMaterials,2020,32(5):1902387.[3]EnergyStorageMaterials,2021,38:9-16.為手表供電的可穿戴超級(jí)電容器的示意圖新能源公共交通一維超級(jí)電容器發(fā)展應(yīng)用歷程超級(jí)電容器具有快速充放電的能力，支持頻繁啟停，這使得超級(jí)電容器可作為電車能量緩存區(qū)。超級(jí)電容器可與電池協(xié)同工作，這為超級(jí)電容器的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供了有力支撐新能源交通領(lǐng)域超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域[1]/images[2]/城市公交車作為城市中最常見的公共交通工具之一，非常適合使用混合儲(chǔ)能技術(shù)來減少二氧化碳排放并提升經(jīng)濟(jì)性能。將電池和超級(jí)電容器相結(jié)合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市公交車中具有很高的應(yīng)用潛力。利用超級(jí)電容器的高功率密度特性和電池的高能量密度特性并結(jié)合高效的能量管理系統(tǒng)可以最大限度地減少混合動(dòng)力電動(dòng)城市公交車的電力消耗和電池退化成本混合動(dòng)力城市客車的能量管理策略超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域混合動(dòng)力電動(dòng)公交車示意圖半主動(dòng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D[1]Energy,2022,243:122752.研究人員首次開發(fā)了超級(jí)電容器城市公交車的試驗(yàn)滑行循環(huán)（supercapacitorbusdrivingcycle，SBDC）試驗(yàn)。在兩條配備超級(jí)電容器試驗(yàn)公交車的路線中，一輛公交車在正常運(yùn)行期間，由車上的測(cè)量員收集行車數(shù)據(jù)。對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以確定具體的駕駛模式和特征。。與從傳統(tǒng)公交車上收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電容器公交車在平均加速和減速率方面表現(xiàn)出了更優(yōu)良的駕駛特性。超級(jí)電容器公交車的平均運(yùn)行速度比傳統(tǒng)公交車快近10%超級(jí)電容器電動(dòng)巴士路線的駕駛循環(huán)開發(fā)超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域[1]SustainableCitiesandSociety,2019,48:101588.[2]Energies2019,12,2348.[3]IEEEVehiclePowerandPropulsionConference.IEEE,2006:1-5.一種用于城市公共交通的基于超級(jí)電容器的超快速充電基礎(chǔ)設(shè)施超級(jí)電容客車在智能電網(wǎng)中，具有優(yōu)良儲(chǔ)能特性的超級(jí)電容器可用于調(diào)節(jié)負(fù)載和儲(chǔ)存的備用電力，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性。基于超級(jí)電容器響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，將超級(jí)電容器用于電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以快速響應(yīng)電力需求的變化，平衡電網(wǎng)負(fù)荷，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行智能電網(wǎng)領(lǐng)域超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域智慧電網(wǎng)示意圖[1]/[2]Renewableandsustainableenergyreviews,2016,66:499-516.智慧電網(wǎng)示意圖太陽能光伏發(fā)電廠并網(wǎng)可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響，集成儲(chǔ)能系統(tǒng)是調(diào)節(jié)光伏發(fā)電廠自然振蕩輸出功率的解決方法之一研究人員提出了一種用于1MW并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電廠的功率平滑策略，整體系統(tǒng)由釩蓄電池和超級(jí)電容器組成的電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)（hybridenergystoragesystem，HESS），HESS的功率管理旨在將超級(jí)電容器所需的功率比降低到釩蓄電池額定功率的五分之一，并避免釩蓄電池在低功率水平下運(yùn)行，從而提升電廠整體效率利用混合儲(chǔ)能的大型太陽能光伏發(fā)電廠超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域[1]IEEETransactionsonSustainableEnergy,2014,5(3):834-842.[2]/imagesHESS與光伏電站配置光伏電站簡(jiǎn)化模型傳統(tǒng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常是無源發(fā)電機(jī)，其發(fā)電量并不取決于電網(wǎng)需求，而是完全取決于波動(dòng)的風(fēng)力條件超級(jí)電容器在平滑波動(dòng)的能量生產(chǎn)方面能夠快速地進(jìn)行充電和放電過程，即使在100%的放電深度下也沒有“記憶效應(yīng)”。研究人員通過建造有源風(fēng)力發(fā)電機(jī)并耦合風(fēng)/氫/超級(jí)電容器形成混合動(dòng)力系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)不同的電源及電力交換過程，以使發(fā)電功率可控。應(yīng)用超級(jí)電容器的電廠發(fā)電能量管理和功率控制系統(tǒng)為電力的穩(wěn)定輸出提供了重要保障分布式發(fā)電和電網(wǎng)集成的風(fēng)力發(fā)電能量管理和功率控制系統(tǒng)超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域有源風(fēng)力發(fā)電機(jī)并耦合風(fēng)/氫/超級(jí)電容器混合動(dòng)力系統(tǒng)[1]IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2010,58(1):95-104.[2]/images隨著科技的不斷進(jìn)步，各類型先進(jìn)電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)生活中。其中，超級(jí)電容器快速充電的特性使其十分適應(yīng)于電子設(shè)備領(lǐng)域。當(dāng)電子設(shè)備系統(tǒng)電壓降低時(shí)，超級(jí)電容器可以快速響應(yīng)，充當(dāng)備用電源，避免因電壓不穩(wěn)或斷電而造成的影響先進(jìn)電子設(shè)備領(lǐng)域超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域[1]JournalofEnergyStorage,2024,96:112563.[2]AngewandteChemieInternationalEdition,2013,52(50).[3]Scientificreports,2013,3(1):2286.超級(jí)電容器在植入式設(shè)備中的應(yīng)用高拉伸纖維狀超級(jí)電容器固態(tài)高性能柔性超級(jí)電容器近年來，可穿戴電子產(chǎn)品在能量采集、微型機(jī)器人、電子紡織品、表皮和植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用潛力研究人員提出了一種分級(jí)石墨烯-金屬織物復(fù)合電極的概念，分級(jí)復(fù)合電極由固定在Ni涂層表面的石墨烯片組成，這種復(fù)合電極制成的全固態(tài)超級(jí)電容器紗線的體積能量密度和功率密度分別為6.1mWh/cm3和1400mW/cm3。此外，這種超級(jí)電容器紗線重量輕、靈活性高、堅(jiān)固耐用，可在生命周期和彎曲疲勞測(cè)試中使用，并可集成到各種可穿戴電子設(shè)備中可穿戴能量密集型和功率密集型超級(jí)電容器紗線超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域[1]Naturecommunications,2015,6(1):7260.3D納米纖維素氣凝膠是一種柔性和高度多孔的材料，在減震和防護(hù)設(shè)備、建筑和隔熱、能量/氣體轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存、個(gè)人護(hù)理和傳感器方面具有潛在應(yīng)用研究人員受到混合納米復(fù)合材料概念的啟發(fā)，提出了納米纖維素氣凝膠與各種電容性納米顆粒的組合，從而實(shí)現(xiàn)了性能增強(qiáng)的輕質(zhì)獨(dú)立超級(jí)電容器裝置?；钚圆牧腺|(zhì)量比較高，在高充放電速率下超級(jí)電容器具有優(yōu)異的電容保持率。凝膠中的多個(gè)通道為擴(kuò)散提供了更多的電子和離子路徑，從而使納米纖維素超級(jí)電容器的內(nèi)阻顯著降低超級(jí)電容器材料的通用三維輕質(zhì)基底超級(jí)電容器應(yīng)用領(lǐng)域[1]AdvancedMaterials,2015,27:6104-6109.本章主要參考文獻(xiàn)劉金云，方臻，黃家銳，等.電化學(xué)儲(chǔ)能材料[M].北京：科學(xué)出版社，2022.陳軍，陶占良.化學(xué)電源：原理、技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2021.方永進(jìn)，陳重學(xué)，艾新平，等.鈉離子電池正極材料研究進(jìn)展[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2017，33（01）：211-241.何菡娜，王海燕，唐有根，等.鈉離子電池負(fù)極材料[J].化學(xué)進(jìn)展，2014，26（04）：572-581.葉飛鵬，王莉，連芳，等.鈉離子電池研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2013，32（08）：1789-1795.郭晉芝，萬放，吳興隆，等.鈉離子電池工作原理及關(guān)鍵電極材料研究進(jìn)展[J].分子科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，32（04）：265-279.金翼，孫信，余彥，等.鈉離子儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料[J].化學(xué)進(jìn)展，2014，26（04）：582-591.潘都，戚興國，劉麗露，等.鈉離子電池正負(fù)極材料研究新進(jìn)展[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2018，46（04）：479-498.潘慧霖，胡勇勝，李泓，等.室溫鈉離子儲(chǔ)能電池電極材料結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].中國科學(xué)：化學(xué)，2014，44（08）：1269-1279.劉雙，邵漣漪，張雪靜，等.水系鈉離子電池電極材料研究進(jìn)展[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2018，34（06）：581-597.曹斌，李喜飛.鈉離子電池炭基負(fù)極材料研究進(jìn)展[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2020，36（05）：89-104.潘雯麗，關(guān)文浩，姜銀珠.聚陰離子型鈉離子電池正極材料的研究進(jìn)展[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2020，36（05）：69-80.曹翊，王永剛，王青，等.水系鈉離子電池的現(xiàn)狀及展望[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2016，5（03）：317-323.曹鑫鑫，周江，潘安強(qiáng)，等.鈉離子電池磷酸鹽正極材料研究進(jìn)展[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2020，36（05）：24-49.楊紹斌，董偉，沈丁，等.鈉離子電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2016，26（05）：1054-1064.史文靜，燕永旺，徐守冬，等.鈉離子電池正極材料Na0.44MnO2的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2017，36（09）：3343-3352.黨榮彬，陸雅翔，容曉暉，等.鈉離子電池關(guān)鍵材料研究及工程化探索進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào)，2022，67（30）：3546-3564.本章主要參考文獻(xiàn)FEH,FENGW,XUT.Zincnaphthalenedicarboxylatecoordinationcomplex:Apromisinganodematerialforlithiumandsodium-ionbatterieswithgoodcyclingstability[J].JournalofColloidandInterfaceScience,2017,488:277-281.EGUIA-BARRIOA,CASTILLO-MARTíNEZE,KLEINF,etal.ElectrochemicalperformanceofCuNCNforsodiumionbatteriesandcomparisonwithZnNCNandlithiumionbatteries[J].JournalofPowerSources,2017,367:130-137.SUH，JAFFERS，YUH.Transitionmetaloxidesforsodium-ionbatteries[J].EnergyStorageMaterials,2016,5:116-131.ZHANGW,DAHBIM,KOMABAS.Polymerbinder:akeycomponentinnegativeelectrodesforhigh-energyNa-ionbatteries[J].CurrentOpinioninChemicalEngineering,2016,13:36-44.WUS,GER,LUM,etal.Graphene-basednano-materialsforlithium-sulfurbatteryandsodium-ionbattery[J].NanoEnergy,2015,15:379-405.YAOY,WUF.Naturallyderivednanostructuredmaterialsfrombiomassforrechargeablelithium/sodiumbatteries[J].NanoEnergy,2015,