电化学电容器从材料到器件的标准统一 

随着储能需求的快速增长，电化学电容器（EC）开始受到人们的关注。但是，研究者们所制备的电容器性能之间无太强可比性，故难以比较技术的前沿性。这种情况主要由以下原因导致的：

电容器制备和测试过程中使用了大量不同的材料、器件配置以及电化学测试协议；

关键的实验参数和步骤在文献报道中没有详细的描述；

基于单电极实验数据推导出器件性能的方式是不恰当的，过于以偏概全。

因此，关键性能指标的不一致性阻碍了来自不同实验室数据的比较。

基于以上原因，德国弗里德里希·席勒大学A.Balducci、加拿大魁北克大学D.Belanger、法国南特大学T.Brousse、美国海军研究实验室J.W. Long和东京都立大学W.Sugimoto教授联合推出了合理评估EC材料和器件的电化学性能的标准。

一、ECs材料标准

1、电极

当提出新材料时，应详细描述其合成步骤，以便重复实验结果；

应说明材料基本特性（颗粒/微晶/薄膜形态，晶体结构等）；

必须清楚地描述使用所得材料的电极制备过程，包括关于活性材料，导电剂和粘合剂之间的比例；

报告每个电极面积的活性材料质量负载，例如以mg cm-2为单位。

这些信息对于读者清楚评估活性材料和完整器件的电化学性能至关重要，特别是在与其它实验室或商业产品的结果进行比较时。作者应考虑商品化电容器活性炭电极的质量负载为~10mg cm-2。

2、电解质

当提出新的电解质组分时：

应清楚地描述所研究的电解质的组成，例如盐浓度以mol/L为单位进行记录；

应报告所提出的电解质在室温下（以及在更宽的温度范围内，如果可用的话）的粘度和离子电导率；

新电解质的电化学稳定性窗口也是重要的性能特征。线性扫描伏安法是最适合的电化学技术，同时应注意温度和扫描速率

关于新电解质的密度、沸点、闪点、热稳定性的信息也非常重要。

二、单电极电容

电容是电极静电存储电荷的能力，其国际单位是法拉（F）。为了给电极一个有意义的电容值，在恒电流实验条件下，活性材料上存储的电荷应在给定的操作窗口下以线性依赖于电压。表现出这种电容行为的电极材料主要是通过双层电容存储电荷，如活性炭（AC）和金属氧化物（如MnO2）。这些材料的CV应显示典型的“矩形”，以F g-1（重力电容）、F cm-3（体积电容）和F cm-2（面积电容）表容量值。当将电容值和响应速度与其他电极材料进行比较时，必须注意所选实验的参比电极要相类似，器件活性物质负载量/厚度要接近。

在某些情况下，电池类材料如Ni(OH)2被报告用于电容器。由于这些材料在其CV中表现出典型不可逆氧化还原行为（非静电行为）的明确峰值，因此电容值不能指定。相反，应以C/g或mAh/g来表示容量，因为它们是描述这些氧化还原材料电荷存储性能的最合适的单位。

三、工作电压

对于基于电容材料的电极，操作电压主要取决于所用电解质的电化学稳定性。

目前没有标准程序来确定EC器件的工作电压，但是建议在组装两电极电容器之前，可通过使用伏安法在基于三电极的半电容器中逐步增大电位极限来评估每个电极的电化学电位窗口（该过程研究的是单个电极的电位窗口）。利用固定库仑效率的阈值来定义最大限制，低于该阈值，电荷存储过程则被认为不是有效的。

对于赝电容材料，有用的电化学窗口取决于法拉第电荷存储过程发生的电位范围。这样的信息对于两电极电容器的设计是至关重要的，其中应该调节正极和负极的质量以平衡电荷存储，最终确定整个器件的工作电压范围。

四、微型和宏观超级电容器

在考虑如何表达特定的性能指标时，必须在传统的宏观和微型电容器之间做出一些区分。传统的EC的构造尺寸从几个cm3到dm3，用于消费电子产品和运输领域。此类EC的重量和体积是关键参数，因此重量和体积的度量是最关键的。活性材料负载量也应为5-10mg cm-2（电极厚度≈100μm），以达到要求的存储能量。虽然提供重量值相对容易，但体积参数可能取决于特定制造工艺以及器件的封装，这相当具有挑战性。当这些可以在电极水平上可靠地测量时，还应报告体积比电容。

微超级电容器由各种薄膜电极组成，尺寸通常在mm2或cm2范围内，目的是在包括功率传感器和微电子器件中的补充或代替微电池。在许多此类应用中，面积标准化电容（F cm-2），能量和功率（基于器件的占位面积）是最重要的性能指标。在可行的情况下，应说明电极和器件厚度（包括电解质，集流体，封装状况）。微电容器的厚度必须限制在几百个微米。

五、循环稳定性

电化学电容器与电池的区别不仅在于其高功率特性，还在于其超长的循环寿命。因此，在评估EC的新材料或器件配置时，循环稳定性是重要的考虑因素。恒电流充电/放电循环是确定循环稳定性的最常用方法。基于三电极的半电容器的循环测试可以提供关于材料稳定性的初步信息，两电极器件的测试可以产生更实际的循环寿命数据。在报告循环稳定性时，必须明确说明在充电/放电测试期间使用的电流密度和电压范围（对于EC器件，不能<0 V）。对于基于电容性材料的器件，应报告至少10000个循环。在基于赝电容材料的情况下，5000个循环可能就足够了。

另一种可用于评估循环稳定性的方法是所谓的“浮动试验”，装置应保持在规定的电压下至少50-100小时，同时定期取样（如每20小时）测量阻抗、充电/放电或CV。应该注意的是，上述两个测试提供不同类型的数据，因此这两个测试都可做以获得有关新EC器件稳定性的更多信息。

六、能源，功率和Ragone 曲线

能量和功率的指标（无论是基于质量还是体积）必须仅针对两电极器件而非单电极。应明确说明计算出的能量和功率的类型，例如最大值或平均值。为了获得对器件储能量的实际评估，建议对恒电流放电曲线进行积分计算，从该值可以直接计算出平均功率。在实验室获得的能量和功率值并不能代表器件的真正性能，从前者得出的值应除以至少4~5，来推算出预期的器件性能。Ragone图是EC能量和功率的表示，需要至少从4种不同电流密度中收集数据才能反映给定器件的性能。

七、总结

电化学电容器的电容、能量和功率的评估对于这些器件的发展和应用至关重要。然而，这些参数在相关的科学文献中往往没有得到正确的表述。因此，推出统一的标准是必须也是必然的。这篇文章提供了确定电化学电容器关键性能因素的最佳标准，并讨论了宏观和微型器件性能及设计的情况，这对于电化学电容器的健康发展无疑是十分重要！