超级电容器：科学与技术

当前社会对于能源的需求日益迫切。随着经济的持续发展，能源在生产和生活消费等方面均发挥着重要作用。作为当今生活、化工的主要能量来源，化石燃料面临着两大挑战：一方面，化石燃料对环境的污染有时甚至成为社会关注的主要问题；另一方面，化石资源的逐渐枯竭，将对经济和社会的发展产生重大影响。因此，发展太阳能、氢能、核能、风能和潮汐能等受到广泛认可的清洁能源，是实现人类社会可持续发展的重要保障。目前对于新能源（包括一些传统能源）的应用主要集中于将其转化为电能，然后加以利用。与此同时，储存电能的装置自然而然成为当前和今后研究的焦点。
超级电容器（supercapacitor，SC），被定义为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件。它结合了物理电容和传统电池的优点，既具有较高的功率密度和较长的寿命，又具有较大的能量密度，因此成为研究者们关注的热点。目前基于文献报道和产品的实际表现，超级电容器的能量密度典型值为10～20W·h·kg-1。相较于当前典型的电池系统（约100～300W·h·kg-1），超级电容器的能量密度不占优势，但由于没有相变从而没有极化产生，使得超级电容器的比功率（500W·kg-1）和寿命（100000 次）要远远高于当下的电池系统（比功率约为200W·kg-1，寿命约为500～1000 次）。超级电容器的应用最初主要涉及军事、航天等领域，而将超级电容器应用于日常生产生活（诸如电动车辆，便携式电子产品例如手机、笔记本电脑和备用电源等） 则是近十几年来提出的新课题。超级电容器应用于电动汽车的动力系统已经成为应用研究的主要方向，特别是超级电容器与传统电池联合组成的混合动力系统，已经被公认为是解决电动汽车推动问题的最佳途径。
本书根据电化学储能原理、电极材料和电解液对超级电容器进行分类，详细介绍了双电层超级电容器、赝电容电容器、水系混合储能器件、锂离子电容器、微型电容器的构成及工作原理以及当前的最新进展，并从应用出发，对超级电容器当前的应用领域及国内外的相关政策进行了论述和展望。
本书由赵玉峰教授、张久俊教授和多名从事超级电容器研究的知名教授共同编著而成。其中第1 章作者为燕山大学樊玉欠教授，第2 章作者为上海大学颜蔚和蒋永教授，第3 章、第4 章、第7 章作者为上海大学赵玉峰教授，第5 章作者为南京理工大学夏晖教授，第6 章、第8 章作者为同济大学郑俊生教授。
本书内容全面，且包含了超级电容器一线研究人员对该领域的深刻见解，并对一些容易混淆的概念做了澄清，不仅可以作为初学者的工具书，也对相关领域同行深入理解超级电容器的发展和相关原理大有裨益。
书中不妥之处在所难免，敬请读者朋友批评指正！

编著者
2023年1月

张久俊，教授，博士生导师，国际电化学能源科学院创始人。研究领域涉及物理化学、材料学、电化学、电分析、电催化、电池、锂离子电池、燃料电池、超级电容器、光电化学以及传感器等各个方面，主要集中于纳米材料（电极材料和电极催化剂），纳米技术在电化学能源、转换和存储方面，包括燃料电池、电池以及超级电容器等方面的研究开发。发表550多篇同行评审论文，论文他引超55000余次，H指数96，获16项美国及欧洲专利。2014-2021连续8年入选全球高被引科学家。

《超级电容器： 科学与技术》是“先进电化学能源存储与转化技术丛书” 分册之一，书中根据电化学储能原理、电极材料和电解液对超级电容器进行分类，详细介绍了双电层超级电容器、赝电容电容器、水系混合储能器件、锂离子电容器、微型电容器的构成和工作原理以及当前的最新进展，并从应用出发，对超级电容器当前的应用领域及国内外的相关政策进行了论述和展望。
本书内容全面，且包含了超级电容器一线研究人员对该领域的深刻见解，并对一些容易混淆的概念做了澄清，将对相关领域科研人员、高校相关专业研究生和高年级本科生深入理解超级电容器的发展和相关原理大有裨益。

第1章 超级电容器概述1
1.1　从传统电容器到超级电容器3
1.1.1　传统电容器3
1.1.2　基于电化学的超级电容器及其主要类型4
1.1.3　双电层电容7
1.1.4　法拉第赝电容8
1.1.5　锂离子超级电容8
1.1.6　混合型超级电容9
1.2　超级电容器的特点9
1.3　超级电容器材料概述10
1.3.1　碳基材料11
1.3.2　过渡金属氧化物材料11
1.3.3　导电聚合物基电极材料12
1.3.4　其他新型电极材料13
1.3.5　超级电容器电解质材料13
1.4　超级电容器的机遇与挑战14
1.5　超级电容器产品典型案例15
参考文献18

第2章 超级电容器表征技术20
2.1　材料特性表征21
2.1.1　比表面积和孔结构21
2.1.2　官能团表征24
2.1.3　原位核磁共振波谱27
2.2　电化学表征28
2.2.1　暂态技术28
2.2.2　稳态技术33
参考文献39

第3章 碳基超级电容器电极材料41
3.1　概述42
3.2　碳基超级电容器的工作原理44
3.2.1　双电层电容44
3.2.2　附加准法拉第反应的准电容45
3.2.3　碳基超级电容器电荷存储机制46
3.2.4　碳基超级电容器充电和放电动力学47
3.3　超级电容器用碳基电极材料49
3.3.1　碳材料发展历程简介49
3.3.2　活性炭51
3.3.3　碳纳米管52
3.3.4　石墨烯53
3.4　影响碳材料电容的因素54
3.5　碳材料在电化学电容器中的应用55
参考文献60

第4章 赝电容电极材料63
4.1　赝电容的分类及产生机制64
4.1.1　欠电位沉积赝电容64
4.1.2　氧化还原赝电容65
4.1.3　插层赝电容67
4.1.4　赝电容的产生机制67
4.1.5　电极材料本征赝电容和非本征赝电容特性69
4.1.6　赝电容储能的动力学特性70
4.2　典型赝电容材料74
4.2.1　钌基氧化物74
4.2.2　锰基氧化物75
4.2.3　导电聚合物78
参考文献79

第5章 水系介质中的非对称器件和混合器件84
5.1　对称超级电容器87
5.2　非对称超级电容器87
5.3　正极材料89
5.3.1　金属氧化物89
5.3.2　其他金属化合物94
5.4　负极材料97
5.4.1　金属氧化物/氢氧化物97
5.4.2　其他金属化合物101
5.4.3　水系非对称电容器电位窗口102
5.5　混合超级电容器105
5.5.1　电池型正极//电容型负极混合体系107
5.5.2　电容型正极//电池型负极混合体系110
参考文献110

第6章 锂离子电容器116
6.1　锂离子电容器发展历史与优势118
6.1.1　锂离子电容器的发展历史118
6.1.2　锂离子电容器的优势119
6.2　锂离子电容器的结构和工作原理120
6.2.1　锂离子电容器的基本结构及原理120
6.2.2　锂离子电容器的能量限制原理123
6.3　锂离子电容器的结构设计与性能126
6.3.1　正极材料的选择126
6.3.2　负极材料的选择129
6.3.3　电解液的选择133
6.3.4　负极预嵌锂133
6.3.5　正负极匹配137
6.3.6　测试与表征方法139
6.4　锂离子电容器的应用143
6.4.1　电网储能领域143
6.4.2　新能源汽车领域143
6.4.3　轨道交通领域144
6.4.4　军事装备领域145
6.5　结论与展望145
参考文献146

第7章 微型和柔性超级电容器150
7.1　微型/柔性超级电容器的组装151
7.1.1　印刷电极152
7.1.2　模板涂层法156
7.1.3　刻蚀电极157
7.1.4　光刻蚀158
7.1.5　反应离子刻蚀158
7.1.6　等离子体刻蚀159
7.1.7　激光直写159
7.2　电解质的分类与制备160
7.2.1　凝胶电解质161
7.2.2　无机固态电解质162
7.2.3　塑料晶体电解质163
7.3　微型/柔性超级电容器的应用163
7.3.1　作为环境能源的储能单元163
7.3.2　微型集成电子设备164
参考文献164

第8章 超级电容器的应用167
8.1　超级电容器工作原理与优势168
8.1.1　超级电容工作原理及分类168
8.1.2　超级电容储能优势169
8.2　超级电容相关政策171
8.2.1　国外相关政策171
8.2.2　国内相关政策171
8.3　超级电容应用领域173
8.3.1　智能仪表173
8.3.2　光伏发电和风力发电177
8.3.3　轨道交通181
8.3.4　电动大巴182
8.3.5　乘用车183
8.3.6　军用载运工具185
8.3.7　其他领域185
8.4　超级电容应用前景190
8.4.1　现有超级电容产业市场规模190
8.4.2　我国超级电容的发展趋势193
8.5　超级电容器的应用展望193
参考文献194

索引196