【解读】关于超级电容器

    小弟第一次在超大发长文，各位大神轻拍。
   今天在超大超级电容器讨论十分火爆，本人借此势头写篇长文，不足之处欢迎指正。
一.我们为什么需要超级电容器？
    在武器装备中很多地方需要极高的功率密度，即在短时间内大量地释放能量，比如激光器、电磁弹射器、电磁炮……而这些装置几乎都只需要运行极短的时间。故最好的能源解决方案是把来自发动机的能量储存起来然后瞬间地释放。电池的功率密度远远不能达标，传统电容的能量密度又太小甚至于不能完成一次完整的射击或者弹射过程。在这样的要求下，能量密度逼近化学电池（赶不上锂电池至少也赶上铅酸电池了）而功率密度与传统电容相差无几的超级电容器应运而生了。
    顺便说，超级电容在民用领域也有广泛的应用前景。吉利汽车曾经提出过一个牛逼的混合动力方案，却因为没有达标的超级电容器而搁置，如今仿佛又看到了这个方案复活的曙光。
二.超级电容器的原理和性能特点。
    超级电容器的基本原理是利用电极与电解质溶液接触时产生的双电层来储能，由于溶液中离子的运动是物理过程，故充放电极快。有的超级电容器还加入了赝电容，即在电极中掺入一些高度可逆的氧化还原对，虽然是化学反应，但速率和可逆性都远好于普通的化学电池。
    根据八股机载，这次试验成功的是碳-镍超级电容，其中碳是常用的电极材料，而镍，据本人猜测，就是利用其可变化学价工作的赝电容。赝电容的加入可以使单位质量的电容提高一个数量级甚至使更多，但赝电容毕竟还是化学过程，其速率不能和纯物理的双电层同日而语。在充放电速率极快时，两者不同步，会引入不少麻烦。除此外，标准的电容器的I-V关系较为简单，在匀速的循环伏安扫描中，得到接近矩形的结果，输出十分稳定。推导如下：
    C = Q/U = it/U = i/(dU/dt)
    而化学过程的电流与电势的关系则颇为复杂，从能斯特方程出发可以得到峰形的循环伏安图。采用赝电容的超级电容的输出特性不如纯双电层电容。如此看来，赝电容用在电动汽车上还不错，如果是高能武器或者弹射器啥的，还是用纯双电层电容比较好。
    正如前面所说的那样，超级电容具有充放电比电池快，容量比电容大的优点，除此外还有输出稳定、可逆性好、电压范围宽等等。在低于分解电压的范围内，超级电容器的电压和容量呈线性关系，方便调节。而电池你如果要把电压调节到最大值的一半，由于能斯特方程是对数关系，你几乎要把电池接近于放光才行，显然是不实用的。
三.超级电容的研究热点与趋势。
    这年头世界上研究超级电容那叫一个如火如荼啊，尤其是财大气粗的美帝，能源部国防部往里面哗哗哗砸银子。所谓重赏之下必有勇夫，UT Austin机械工程系的Rodney Ruoff叫兽成为了这方面的佼佼者，他们的“活化石墨烯氧化物电极”的表面积已经高到了发指的程度。
    话说这年头的研究主要集中在两个方向，其一是提高容量，其二是提高充放电速度。
    电容器的能量密度可以表示为：
    W = 0.5*CU^2
    虽然从公式上来看提升最大使用电压U更划算，但实际上U的提升空间不如电容C大。先来看看C，决定C的最主要因素是电极材料。一般来说，电极的表面积越大，能接触的离子越多，电容就越大。碳材料是理想的电极材料，一方面有多孔结构，另一方面导电性还可以。对电容做主要贡献的是几个纳米甚至更小的孔结构，为了控制这些孔结构的生成，研究了一大堆的合成方法与技术路线。这部分涉及比较专业的化学知识，不详细叙述了。另一个值得注意的是为了减小焦耳热带来的能量损耗，降低电极的电阻也是很有必要的，而这往往与碳材料的晶格规整度有关，在此也不说了。另外前面说的赝电容也是有效提高C的方法，但是我觉得有点得不偿失。
    提高U主要靠电解质溶液，目前常见的有水溶液、有机溶液和离子液体三种。水溶液最简单最便宜，但是水的分解电压只有一伏多点，故U范围很小，而且副反应比较多，循环伏安输出与标准矩形相比有较大的偏差。有机溶剂可以适用于更大的电压，但是安全性差，易燃易爆，而且导电性也不如水溶液。离子液体的导电性和安全性都不错，而且U可以高达5V而不分解，除此以外可以通过调节离子的尺寸与电极孔径匹配。虽然同一电极使用离子液体时C比使用水时略低，但由于U提高，总能反而更大，而且输出更像是矩形。
    提高电容的充放电能力主要是改善电解质与电极的接触。一般碳材料是高度疏水的，溶液不容易浸润，离子迁移受阻。表面功能化可以一定程度上改善这一点，但过度的功能化会降低导电性。比较有前途的方法是合理地设计碳材料的结构，缩短离子在较窄的通道中的迁移距离啥的吧。
    总之超级电容器是未来武器必不可少的零件，我国在这方面还有很长的路要走的。

    小弟第一次在超大发长文，各位大神轻拍。
   今天在超大超级电容器讨论十分火爆，本人借此势头写篇长文，不足之处欢迎指正。
一.我们为什么需要超级电容器？
    在武器装备中很多地方需要极高的功率密度，即在短时间内大量地释放能量，比如激光器、电磁弹射器、电磁炮……而这些装置几乎都只需要运行极短的时间。故最好的能源解决方案是把来自发动机的能量储存起来然后瞬间地释放。电池的功率密度远远不能达标，传统电容的能量密度又太小甚至于不能完成一次完整的射击或者弹射过程。在这样的要求下，能量密度逼近化学电池（赶不上锂电池至少也赶上铅酸电池了）而功率密度与传统电容相差无几的超级电容器应运而生了。
    顺便说，超级电容在民用领域也有广泛的应用前景。吉利汽车曾经提出过一个牛逼的混合动力方案，却因为没有达标的超级电容器而搁置，如今仿佛又看到了这个方案复活的曙光。
二.超级电容器的原理和性能特点。
    超级电容器的基本原理是利用电极与电解质溶液接触时产生的双电层来储能，由于溶液中离子的运动是物理过程，故充放电极快。有的超级电容器还加入了赝电容，即在电极中掺入一些高度可逆的氧化还原对，虽然是化学反应，但速率和可逆性都远好于普通的化学电池。
    根据八股机载，这次试验成功的是碳-镍超级电容，其中碳是常用的电极材料，而镍，据本人猜测，就是利用其可变化学价工作的赝电容。赝电容的加入可以使单位质量的电容提高一个数量级甚至使更多，但赝电容毕竟还是化学过程，其速率不能和纯物理的双电层同日而语。在充放电速率极快时，两者不同步，会引入不少麻烦。除此外，标准的电容器的I-V关系较为简单，在匀速的循环伏安扫描中，得到接近矩形的结果，输出十分稳定。推导如下：
    C = Q/U = it/U = i/(dU/dt)
    而化学过程的电流与电势的关系则颇为复杂，从能斯特方程出发可以得到峰形的循环伏安图。采用赝电容的超级电容的输出特性不如纯双电层电容。如此看来，赝电容用在电动汽车上还不错，如果是高能武器或者弹射器啥的，还是用纯双电层电容比较好。
    正如前面所说的那样，超级电容具有充放电比电池快，容量比电容大的优点，除此外还有输出稳定、可逆性好、电压范围宽等等。在低于分解电压的范围内，超级电容器的电压和容量呈线性关系，方便调节。而电池你如果要把电压调节到最大值的一半，由于能斯特方程是对数关系，你几乎要把电池接近于放光才行，显然是不实用的。
三.超级电容的研究热点与趋势。
    这年头世界上研究超级电容那叫一个如火如荼啊，尤其是财大气粗的美帝，能源部国防部往里面哗哗哗砸银子。所谓重赏之下必有勇夫，UT Austin机械工程系的Rodney Ruoff叫兽成为了这方面的佼佼者，他们的“活化石墨烯氧化物电极”的表面积已经高到了发指的程度。
    话说这年头的研究主要集中在两个方向，其一是提高容量，其二是提高充放电速度。
    电容器的能量密度可以表示为：
    W = 0.5*CU^2
    虽然从公式上来看提升最大使用电压U更划算，但实际上U的提升空间不如电容C大。先来看看C，决定C的最主要因素是电极材料。一般来说，电极的表面积越大，能接触的离子越多，电容就越大。碳材料是理想的电极材料，一方面有多孔结构，另一方面导电性还可以。对电容做主要贡献的是几个纳米甚至更小的孔结构，为了控制这些孔结构的生成，研究了一大堆的合成方法与技术路线。这部分涉及比较专业的化学知识，不详细叙述了。另一个值得注意的是为了减小焦耳热带来的能量损耗，降低电极的电阻也是很有必要的，而这往往与碳材料的晶格规整度有关，在此也不说了。另外前面说的赝电容也是有效提高C的方法，但是我觉得有点得不偿失。
    提高U主要靠电解质溶液，目前常见的有水溶液、有机溶液和离子液体三种。水溶液最简单最便宜，但是水的分解电压只有一伏多点，故U范围很小，而且副反应比较多，循环伏安输出与标准矩形相比有较大的偏差。有机溶剂可以适用于更大的电压，但是安全性差，易燃易爆，而且导电性也不如水溶液。离子液体的导电性和安全性都不错，而且U可以高达5V而不分解，除此以外可以通过调节离子的尺寸与电极孔径匹配。虽然同一电极使用离子液体时C比使用水时略低，但由于U提高，总能反而更大，而且输出更像是矩形。
    提高电容的充放电能力主要是改善电解质与电极的接触。一般碳材料是高度疏水的，溶液不容易浸润，离子迁移受阻。表面功能化可以一定程度上改善这一点，但过度的功能化会降低导电性。比较有前途的方法是合理地设计碳材料的结构，缩短离子在较窄的通道中的迁移距离啥的吧。
    总之超级电容器是未来武器必不可少的零件，我国在这方面还有很长的路要走的。