3.超级电容器结构材料

目前全球已有上千家超级电容器生产商,可以提供多种类的超级电容器产品,但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构。

超级电容器在结构上与电解电容器非常相似,它们的主要区别在于电极材料。早期的超级电容器的电极采用碳,碳电极材料的表面积很大,电容的大小取决于表面积和电极的距离,这种碳电极的大表面积再加上很小的电极距离,使超级电容器的容值可以非常大,大多数超级电容器可以做到法拉级,一般情况下容值范围可达1~5000F。

超级电容器也可以分为两类:一类以活性炭材料为电极,以电极双电层电容的机制储存电荷,通常被称作双电层电容器(DLC)；另一类以二氧化钌或者导体聚合物等材料为阳极,以氧化还原反应的机制存储电荷,通常被称作电化学电容器。

超级电容器根据制造工艺和外形结构可划分为钮扣型、卷绕型和大型三种类型,三者在容量上大致归类为5F以下、5~200F、200F以上。钮扣型产品具备小电流长时间放电的性能,可用在小功率电子产品及电动玩具产品中做电源,或在带时钟的产品应用上进行数据存储,如录音机、MP3、家用电器、汽车音响等。而卷绕型和大型产品则多用于大电流短时放电,在有记忆储存功能的电子产品中做后备电源,注重数据保护和备份,适用于带CPU的智能家电、工控和通讯领域中的存储备份部件。

超级电容器按电极结构可分为以下三类：

(1)碳-碳双极板对称结构超级电容器

正负电极采用了超大比表面积材料，这种超级电容器储能方式属于静电储能，能量储存与释放不涉及伴随质量转移的氧化还原过程，能量储存与释放速度很快，时间常数小，充放电次数可达到50万次，该类电容器目前主要应用于瞬时高功率辅助。

（2）过渡金属氧化物超级电容器

电极反应是以快速法拉第氧化还原反应为基础，绝大多数电荷转移发生在固体电极的表面或表面附近的薄层内。储存容量通常比双电层材料大很多，其能量密度较高，此类超级电容器目前还处在实验室开发阶段，作为电极材料的各种过渡金属氧化物和聚合物制作工艺及最佳特性还在摸索过程中。

（3）混合型超级电容器

利用金属氧化物超级电容器的超大比能量与双电荷层超级电容器的有效配比，获得比双电荷层超级电容器高4倍的比能量。根据使用条件的不同及制造材料的不同，充放电次数可控制在1～20万次范围内。该类电容器的特点是比能量高，因此，特别适合长寿命能量提供。此类超级电容器也是国内超级电容器应用技术水平最高的一种。

超级电容器通常包含双电极、电解质、集流体、隔离物四个部件。超级电容器是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量的。在超级电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的两个多孔碳电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成双集电层。

超级电容器的工艺流程为:配料→混浆→制电极→裁片→组装→注液→活化→检测→包装。
美国、日本、韩国等国家一直致力于开发高比功率和高比能量的超级电容器。在超级电容器的研究中,许多工作都是开发在各种电解液中有较高比能量的电极材料。目前应用于超级电容器的材料主要有碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料三种。
碳基材料有活性炭、碳纳米管、炭凝胶。

活性炭是使用最多的电极材料，它具有原料丰富、价格低廉、成型性好、电化学稳定性高、技术成熟等特点。真正实用化的EDLC极化电极是日本电器公司用活性炭粉末和电解液混合制成的活性炭糊状电极。活性炭双电层电容器研究的重点是在提高活性炭比表面积的同时,控制其孔径分布。

碳纳米管是日本NEC公司于1991年发现的一种新型纳米碳材料,目前碳纳米管超级电容器的研究方向是在提高碳纳米管比表面积的同时降低其制备成本。

炭凝胶是一种比表面积大、中孔发达、导电性良好、电化学性能稳定的纳米级中孔炭材料,目前,炭凝胶双电层电容器研究的方向是控制反应条件,在制备具有特定孔结构的炭凝胶的同时寻找可以代替超临界干燥的其他干燥方法。

国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。它们均把超级电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目，提出了近期和中长期发展计划。

俄罗斯的ESMA公司是生产无机混合型超级电容器的代表，然而，ESMA公司目前还没有形成规模生产能力。此外，俄罗斯的ELIT公司、法国的SAFT公司、美国的COOPER公司、日本的NEC公司和松下公司也投入巨大资金对大容量超级电容器进行规模化生产的研究。

国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，然而，能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。

以上海奥威科技开发有限公司生产的超级电容器的特性与国外其它公司超级电容器的性能对比来看，该公司超级电容器已具有相当高的技术水平，具体对比指标见表4。

通过对比可以看出，奥威产品与国外同类产品的电性能和物理性能较为接近，某些性能已经超过了国外同类产品。总体上看，该公司的产品已达到了同类产品的国际先进水平。

目前，国内厂商大多生产液体双电层电容器,除上海奥威科技开发有限公司外，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、锦州锦容公司、石家庄高达公司、北京金正平公司、锦州凯美公司、大庆振富公司、江苏双登公司、哈尔滨巨容公司、南京集华公司等十多家。锦州富辰公司是国内最大的超级电容器专业生产厂,主要生产钮扣型和卷绕型超级电容器。北京集星公司可生产卷绕型和大型电容器。据称，国产超级电容器已占有中国市场60-70%的份额。（御风）