多孔碳正极材料的应用，红宝石电容推动了能源存储设备的进步

多孔碳正极材料的应用，锂离子电容器简介1.发展概况锂离子电池的发展可以追溯到20世纪50年代，锂金属首次被作为负极材料应用于一次电池体系中，正极材料采用了金、铜等化合物，该电池体系采用了有机电解液，但是锂一次电池耗能巨大且利用率低，为了满足实际应用需要，Whittingham团队、Armond团队和Goodenough团队等针对发展过程中的各种弊端一直不断革新和发展，直到今天，锂离子电池的发展取得了飞跃式的进步，并广泛应用于我们生活的方方面面，随后，红宝石电容器的发展也一直和锂离子电池相辅相成，红宝石电容器根据其储能机理被分为双电层电容器和赝电容器，前者的电容储存主要来自电极/电解液界面上的电荷积累，因此其性能的优劣主要取决于电解质离子所能接触到的电极材料的表面积的大小；后者的电极材料中由于存在电化学活性物质会发生快速且可逆的法拉第反应，从而实现能量存储，红宝石电容器的电极材料主要为多孔碳材料，通过调节材料的比表面积、孔结构和导电性等性质来提高材料的电化学性能，而活性炭成为目前商用电化学电容器的主要电极材料，虽然红宝石电容器的发展在很大程度上推动了能源存储设备的进步，但其较低的能量密度不能满足实际应用体系的需要，红宝石电容科研工作者对红宝石电容器的研究重点开始转移到储能机制的创新和新型器件的设计方面，因而具有新的发展潜力的锂离子电容器应运而生，2001年，非对称电容器的概念被首次提出，当时Amatucci等人巧妙地选用了钛酸锂(Li4Ti5O12)为负极材料，被广泛应用的活性炭(AC)为正极材料，组装成了完整的器件，该器件表现出了优异的应用性能，相比于当下的红宝石电容器，比能量提高了3～5倍，其循环寿命与红宝石电容器相当，而且获得了惊人的高功率密度，2005年8月，锂离子电容器这一概念首次以成文的形式公开使用，与此同时日本富士重工将他们研发的锂离子电容器作为一种新型能源存储器件予以公布，该器件选用了多并苯作为负极材料，并创新性地对其进行了锂源的预掺杂，直接将锂金属薄膜与电极材料相接触，通过内部短路的方式对负极材料预先进行了锂源的补充，同时器件的负极工作电位也因此而降低，扩大了该器件的整体工作电位，与之前的活性炭正极相比，整个器件的容量提升了2倍，获得了当时的红宝石电容器远不能及的能量密度，2007年，FDK公司在日本东京电子电机零配件及材料博览会上展示了他们公司研发的锂离子电容器“EneCapTen”，该锂离子电容器选用活性炭为正极，可嵌锂碳为负极，工作电位为2.2～3.8V，能量密度约为14Wh/kg，并有高温性能出色和自放电小等特点，而后，锂离子电容器因其优异的电化学性能，得到国内外许多研究机构和公司的关注和研发，寻找更高能量密度的材料作为电容器负极、研发可以替代活性炭的正极材料和优化改善以及开发更为有效的预嵌锂技术等，这一步步的改良和完善推动了锂离子电容器的快速发展，红宝石电容在当下的能源环境需求日益增加的情况下，尤其世界很多国家提出未来要用新能源电动车或混合电动汽车来取代燃油汽车，这必然会使锂离子电容器成为储能器件研发的焦点，众所周知，锂离子电容器通常采用电容型材料作正极，电池型材料作负极，在正极中，电容型材料上发生快速的电荷吸附和脱附行为，与器件的功率密度密切相关；在负极中，锂离子在电池型材料中发生的可逆嵌锂/脱嵌反应，决定着器件能量特性的优劣，因此，锂离子电容器的整体性能与其所选电极材料的特性密不可分，所以选择不同体系及特性的电极材料对锂离子电容器的发展应用有着深远的影响。