[发明专利]一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器

说明书

【技术领域】

本发明涉及超级电容器的电极材料，特别是一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器。

【背景技术】

电容的能量密度是单位体积或质量电容所能提供的能量，它与电容能够提供的能量有关。提高电容的能量密度的方法，一种是大幅提高电容的容量，另一种是提高电容的工作电压，参见：1）Winter,M.;J.Brodd,R.Chem.Rew.2004,104,25；2）Ma,L.P.and Y. Yang,Applied Physic Letters87(12),2005:3；3）张治安，杨邦朝，邓梅根，胡永达，无机材料学报，Vol20,No.3,2005:p529；4）刘业翔，电池，Vol35，No.3，2005：p196；5）B.E.Conway著，陈艾等译，电化学超级电容器－科学原理及技术应用，化学工业出版社，2005年1版。

超级电容器（Supercapacitors）主要是利用存在于电极材料和电解液界面上的双电层电容来储存电能，其电极材料通常采用具有高比表面积纳米多孔材料，参见1）Yong-gang Wang,Yong-yao Xia,Journal of the electrochemical society，Vol153(2),2006:pA450；2）Kenneth H.Reimen,Karen M.Brace,toby J.Gordon-smith,etal,Electrochemistry Commuciations,Vol.8,2006:p517；3）Sang-Bok Ma,Kyung-Wan Nam,etal,Journal of Power Sources,128,2008:p483；4）M.Lazzari,F.Soavi,M.Mastragotino,Journal of Power Source,178,2008:p490；5）Frackowiak,E.;Beguin,F.Carbon2002,40,(10),1775-1787；6）Ma,S.B.;Nam,K.W.;Yoon,W.S.;Yang,X.Q.;Ahn,K.Y.;Oh,K.H.;Kim,K.B.Electrochemistry Communications2007,9,(12),2807-2811。超级电容器由于其电极材料（如纳米材料）具有高的比表面积，双电层厚度为纳米量级，从而其电容量比传统电容的容量要高出很多。

目前超级电容器的电容量可以达到1300F g-1以上，参见：Patrice Simon,YurY GoGotSi,Nature Materials,2007,7,845-854。但是超级电容器的缺点是其工作电压与传统的电容相比要低得多。电容的能量与电容量呈线性关系，与电容的工作电压呈平方关系。尽管超级电容器具有较高的电容量，但是由于其低的工作电压，导致其能量密度很低。要想提高电容的能量，除了获得高度电容量外，必须要提高电容的工作电压。在保持超级电容器高电容量的特点下，同时进一步提高其工作电压，是获得高能量密度电容器的有效途径。

超级电容器的工作电压取决于电解液的分解电压，参见：Baughman,R.H.e.a.Science2002,297,787-792。对于采用水电解液的对称电极电容，超级电容器的工作电压不会超过1V，参见：Frackowiak,E.;Beguin,F.Carbon2002,40,(10),1775-1787。如果采用非对称电极设计，水电解液体系电容的工作电压可以达到2V，参见：Ma,S.B.;Nam,K.W.;Yoon,W.S.;Yang,X.Q.;Ahn,K.Y.;Oh,K.H.;Kim,K.B.Electrochemistry Communications2007,9,(12),2807-2811。即便将水电解液替换为非水电解液，如有机电解液或离子液体，电容的工作电压也就在4V左右，参见：Lazzari,M.;Soavi,F.;Mastragostino,M.Journal of Power Sources2008,178,(1),490-496。由于电解液的分解电压的限制，在目前的超级电容器技术体系下进一步提高超级电容器的工作电压是很困难的。

【发明内容】

本发明针对目前超级电容器低工作电压的缺点，提供一种基于纳米介电材料层的高能量密度超级电容器，该超级电容器采用具有高耐压能力的介电材料层覆盖在超级电容器电极材料表面，从而达到大幅提高超级电容器工作电压，提高超级电容器能量密度的目的。

本发明的技术方案：