超级电容基础教学

超级电容基础教学

前言：昨日突然接到消息当选为实习版主，本来已决定封笔，犹豫之下决定破例发出一个纪念版本，不过吸取之前的险些卷入那个神奇课题组的内部纷争之中的教训，不再随意把某某人拉出来“游街示众”，毕竟学生在研究生过程中多数是受害者，所以“人艰不拆”·当然有没有续集要看大家的反映情况以及本人的心情好坏（:sweat:），至于大家有什么想法或是希望以后有什么内容均可以在下面说明，当然有没有下文是另外一回事（:sweat:）·本帖仅适用于初学者，如果您已经打通任督二脉请自备锁定技能“忽略”，也仅是一家之言，如有雷同，必定是你“Ctrl+C”·

废话不多说，开始正题，对于初学者来说如果有一本“圣经”级别的教材以供自学当然最好，当然多数情况下大多自学者是摸着石头过河，一来未必有高手愿意指导，二来boss们时刻催促着你“做实验，写论文发文章，出成绩”，因而自己四处看文献现学现卖就成了家常便饭。然而，当你费尽心力看完一堆文献，自以为总算入门的时候，另一堆文献有可能把你原来所学的那点知识完全推翻，文献和文献间的矛盾成了晴天霹雳，很多时候令人抓狂，本来就不明白，文献再来添乱就彻底晕了。其实究其原因也是因为许多半路出家的人写了不少歪经，一开始就走火入魔了，这些歪经一旦流传起来就骇人听闻了，文献中的矛盾多源于基本定义间看似“不太和谐统一”的效果，今天我们就一起来看看那些看似不和谐的定义：

（1）比能量与比功率

我们习惯上称呼他们为功率密度与能量密度，之所以这次换个称呼是想提醒大家关键要看“比什么”，文献中最多的是比质量，准确说是比活性物质质量，单位不同影响很大。其实这两个称谓可以说是实际应用中区分电池与电容的最直接参数，实际上之所以超级电

容研究的火热也是因为超级电容功率性能的强大，然而其能量性能却不甚理想··直到目前为止似乎没有发现什么不和谐的地方，我们回想一下大多数论文中的数据可以得知，大多数情况下大家最喜欢用的是比电容，还是那个活性质量比电容，功率性能大多数情况下消失了，问题就出在这个地方，超级电容和电池在功率和能量特性上是划分区域而归属的，比电容是一路飙升了，但是问题就层出不穷了：

（a）被拆散的一对情侣。本来能量与功率特性存在相互制约关系，一个飙升，另一个就要牺牲了，但是我们现在不考虑功率特性了，比电容可以不受限制一路飙升了··这是一种神逻辑，按照这种逻辑就不存在什么能量守恒了，永动机什么的绝对是小case··不管你是不是信了，反正鬼都不信··

（b）比电容我说了算。活性物质质量小点，充放电电流密度小点··反正总能找到各种办法提升比电容，比电容可以达到两三千，但活性物质质量一毫克都不到，在考虑上基底和添加附属材料的质量等因素，实际生产这么干就等着破产吧；至于电流密度减小，做电容为了什么呢，快速充放电啊，为了提升比电容这么干，你还是洗洗睡吧，电容和你八字不合··

（c）被扭曲的能量密度。比电容和能量密度是有区别的，我曾经见到个自以为才德兼备的老师问了一句这样的话：“你做氧化钴都做到了800F g-1，二氧化锰才200 F g-1 还做它干什么“，学生当场泪奔··我才不会告诉你能量密度还受电势窗口影响，而且还与其平方对应，考虑上这点二氧化锰就可以做了··

（d）我们都只是传说。其实这是一个很容易被误会的问题，其实这两个参数更多时候不是描述”平均状态“，而是描述”最好状态“，其实能量密度还好因为看公式就像是平均状态，好像也没什么分歧，虽然有误解但是没发生什么错误；但功率密度就比较惨了，

很多文献里面的功率密度就是平均状态，更有意思的是由于多数都是从比电容开始计算的，以平均状态计算一下发现好像只有电流在起作用··

另一个好玩的事情就是赝电容，可以说是双电层与一般电池材料的中间地带，很多文献歌颂它有望功率密度媲美双电层材料，能量密度媲美电池··要我怎么说呢，酸碱中和之后会生成一种既酸又碱的诡异存在吗？看看下面这张图就能明白各种些许，其实赝电容材料功率密度不及双电层，但能量密度比它强，能量密度不及电池，但功率密度又扳回一局，这就是赝电容材料独特的夹缝生存之道，又要功率又要能量的，小心自己吃不消··

（2）热力学与动力学

其实热力学与动力学在化学里基本都是回避不了的一个大问题，只不过在电化学这里找了两个代理——电势与电流，从超级电容认识上我们不难发现理想的电容应该是一种恒流模式，而对于电池能斯特方程就告诉我们稳态下电势应该是不变的。换句话说电池与电容也是热力学控制与动力学控制的一次较量，电容希望动力学控制，电池希望热力学控制，而实际情况是往往两者搅在一起，其实这是电化学分析的一个基本框架，当然如果半路出家的倒霉孩子前面都已经走火入魔的话，在这里想不出问题都有难度，也就难怪本来接近本质的一块内容··这里我先保留一下，如果有下文写到具体电化学分析测试时我会重点说明一下这个地方，可以说很多文献上测试分析是无奇不有，当然还是那句话，前面都没弄明白的文献，电化学分析可以直接跳过了，看了也是误导人··

（3）电子传递相与离子传递相

相当”高富帅“的称谓，很多文献都喜欢拿这些出来秀一秀，当然了不少是故作高深··屌丝一点的称谓其实就是描述电极及附近电解液区域，多数情况下电子传递相就是电极，而离子传递相就是电解液，当然有几个例外情况：

（a）以锂电池为代表的离子嵌入脱出型材料，活性材料内部必然伴随离子传递，此时电极也是含有离子传递相的；

（b）以聚苯胺为代表导电聚合物是可以依靠氢离子转移实现电子传导的，此种状态是为数不多的电子与离子传递相互混杂难以明确区分的状态。

与前面的介绍相对应，可以”不严格“概括为电子传递相更多对应功率密度，离子传递相更对对应能量密度··不过其实这两个概念无论提出还是实际应用都是有困难的，万一你写上个电子传递相，审稿人让你证明电子确实在其中进行运动估计你就傻眼了，更别提万一让你证明离子··其实有关这部分的内容更多是电极界面扩展与孔道化处理，所以从比表面积，孔径分布入手往往更容易，实际中很多文献也确实是这么做的，不过分析的必须是电极界面，很多文献好像喜欢分析活性材料，脱离电极谈论活性材料其实意义不大··从另一个角度看，对于一些理论分析使用这两个概念还是很有帮助的，比如材料结晶性对电化学性能的影响，不过需要注意的是这些概念与功率密度和能量密度只是宏观与微观角度不同，本质是一样的，一般情况下电子与离子传递相也是相互制约的，但是很多文献好像一用到这两个概念就可以既保证电子又保证离子，再次出现前面提到”制造永动机行为“··