超級電容器類似于一種電化學元件,但其儲能的過程并不發生化學反應,它的儲能過程是可逆的。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板。
通常情況下,為了避免形成電化學的負極和陽極的溶解,大多數選擇多孔碳棒作為兩個電極。充電時,陽極吸引電解質中的負離子,陰極吸引正離子,在離子隔膜兩邊,實際上形成兩個離子存儲層,形成電動勢。在放電時,正極的界面雙電層上被牢牢吸附的負離子開始向電解液中釋放,而負極的界面雙電層開始釋放正離子,同時,負極的界面雙電層在負極上的電子也被釋放,通過外電路流向正極,形成電流。
我國的超級電容制造的第一步應該瞄準鉛蓄電池的儲能水平,30瓦時/公斤。而碳電極的2000m2/g的比表面積已經很大,但是,達到極限后,如用現在的制造理念還是解決不了問題。因為2000m2/g的比表面積不是被充分利用的,這還取決于兩電極的距離,以及離子的充電擴散的效率。活性炭的空隙,較多的是微米級的,只要空隙不是很深,空隙是開放的,離子的遷移效率還是理想的。但是,作為電極,如果是粉末狀活性炭,由于是浸濕在電解液中,會使充電時的電子導通率下降,離金屬電極較遠的活性炭尤其如此。
如果是整體狀的活性炭,則有很長的離子通道,實際上并非處處是微米級的。若一處出現納米級的,則通道就可能被堵塞。因為,已經被吸附的離子,在通道上會強烈地排斥其它同極性離子的擴散,尤其在通道狹窄時。從某些專利來看,有的使用了高放電電壓的有機大離子作為遷移離子,而電極用碳納米管粉末復合物,這種設計明顯不合理。在理論上,大離子在碳納米管內的遷移是困難的。考慮到吸引和排斥作用,大離子的實際遷移是更為困難。由此可見,超級電容的技術突破應該是比表面積和表面積的同時擴大。
我國的超級電容制造的第二步應該瞄準擴大電極的比表面積。我國目前現有的制造方法是從上而下,即由有結構的含碳物進行分解式的制造。今后,要更多的研究從下到上的制造方法。雖然,一些專利也用到了碳納米管,但是,他們只是粉末狀的,還不完全符合從下到上制造出整體的要求。而模板化的碳電極制造技術、合成有機物整體焦化炭化技術、有機導電體制作電極技術是以上這些專利中的領先技術,頗有開發之必要。展望未來,納米技術的應用將是最終突破技術難關的關鍵。
在自主創新的理念的導引下,我國發展超級電容的內在條件已經具備。三年前,國際大都市上海已經出現了世界第一條用超級電容儲能器行駛的公交線。隨著制造理念的創新和制造技術的發展,我國的超級電容制造技術一定會在世界上立于不敗之地,并將產生不可低估的經濟效益,為遏制世界金融危機帶來負面影響而發揮巨大的作用。
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