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5.3 氮化碳/石墨烯复合水凝胶的电化学性能表征 24
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 引言
能源是人类赖以生存和发展的物质基础，是推动国民经济发展的强大动力。而我国能源面临能源利用率低、以煤为主的能源生产结构、人均能源拥有量和储备量低等问题。开发利用新能源以及新型能源的存储(如氢的储存、储电等)成为人类长期面临的两大困难。新型能源的储存是能源领域研究的热点，也是新型能源能否得以广泛应用的瓶颈。
能源可以作为势能形式存储在燃料中，并且通过诸如活塞蒸汽机、内燃机和涡轮蒸汽机等各种能量转换装置使之得到利用，但是这样做仍是相当低效的。而采用电化学系统，由于其不受限于热力学卡诺循环，含有更多的可逆过程，可以将化学能转变成自由能，因此储存电能效率比燃料系统高很多。超级电容器是一种性能介于电池与传统电容器之间的新型储能器件，因具有出色的脉冲充放电性能以及传统电容器所不具备的大容量储电性能而引起了国内外研究者的广泛关注。
1.1超级电容器
图 1.1 （a）不同新型储能器件的能量密度-功率密度图；（b）超级电容器装置示意图。
超级电容器(又称电化学电容器)是一种功率型的能源储存转换装置[1][2]，其性能位于传统电容器和二次电池之间，它比传统的电容器具有更高的比电容和能量密度，与电池相比具有更高的功率密度，因此具有广阔的应用前景。超级电容器按其储能机理可以分为两类：双电层电容器和法拉第准电容器。
双电层电容器是指电化学溶液中性质不同的两相之间界面处产生的正电荷与负电荷的分布层，普遍认为在电极/电解液界面存在着两种作用力：一种是电极与电解液两相中的剩余电荷所引起的静电作用，一种是电极与电解液中的各粒子之间的作用[3]。充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，同时，正负离子从溶液体相中分离并分别移动到电极表面，形成双电层。能量就以电荷的形式存储在电极材料的界面。为了形成稳定的双电层，要求电极材料：不和电解液发生反应，导电性能良好。为了使双电层电容器储存更多的电荷，要求电极材料具有尽可能大的有效利用的表面积，从而形成大面积的双电层。由于是物理储能，双电层的漏电现象比电池严重。双电层中的离子在受到固相异相电荷吸引的同时，因双电层中的离子浓度比溶液本相中的离子浓度高得多，故存在离子扩散回较低浓度的溶液本体的过程，这个过程便是双电层电容器的漏电过程。
法拉第准电容器是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电极活性物质进行欠电位沉积、发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。其存储电荷的过程包括：双电层上的存储、电解液中的离子在电极活性物质中由于发生氧化还原反应而将电荷存储在电极中。其充放电过程是：充电时，电解液中的离子(一般为H+或OH—)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/电解液界面，而后通过界面的电化学反应进入到电极表面活性氧化物的体相中；若电极材料是具有较大比表面积的氧化物，这样就会有相当多的这样的电化学反应发生，大量的电荷就被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路释放出来。在相同比表面积的情况下，法拉第准电容器的比电容是双电层电容器的10~100倍。[4]