极端环境下超级电容器聚合物电解质的研究进展.docxVIP

摘要?超级电容器具有高功率密度、快充放电速率和长循环寿命等优点而备受关注。近年来，随着科学技术的发展，超级电容器的应用场景不断拓宽，超级电容器从可再生能源大规模发电并网、轨道交通等常规领域向着新一代精密电子设备和高精尖军用武器装备等极端工况领域发展。然而，高/低温、高拉伸/压缩等极端工况对超级电容器结构和组成提出了新的挑战和要求。其中，电解质是影响超级电容器的性能、寿命和安全的关键组成之一。聚合物电解质由于具有质量轻、机械稳定性强、柔韧性和安全性高及界面接触良好等特点，为设计构筑新一代高安全性和高柔韧性超级电容器提供了新的可能。本文介绍超级电容器的分类、组成及特点，从高/低温、高拉伸/压缩、高/低湿度角度，重点梳理了极端环境下超级电容器聚合物电解质的研究进展。最后，分析和讨论了超级电容器碳电极及聚合物电解质在极端条件下所面临的挑战和未来的发展方向，为高性能超级电容器的设计和构筑提供可借鉴的新思路。

关键词?超级电容器；极端条件；聚合物电解质

超级电容器(SCs)以其高功率密度(约105?W/kg)、快速充放电速率(以秒为单位)和长循环寿命(>100000次循环)等独特的优点，在间歇可再生能源的负载均衡系统、重型车辆、卡车和公共汽车的混合平台以及电动汽车和轻轨制动能量的再生储存等大型民用领域获得了广泛的关注。随着科技的发展，超级电容器的发展也进入到新范式，逐渐从大型常规化向微型和精密化方向发展。鉴于此，其应用也逐渐向可穿戴生物电子设备、电子面料、植入式医疗设备等新一代精密电子设备和脉冲电源电磁炮、高功率束能武器电源等新一代高精尖军用武器装备等领域拓展。例如，超级电容器在个性化医疗中的应用，个性化医疗旨在实现随时随地的健康监测和定制的反馈治疗，显然传统设备不能很好地满足以上要求，柔性可穿戴生物电子设备因其微型化、智能化等特质在个性化医疗方面具有巨大的潜力，但也存在一些挑战，如可穿戴设备仍然不能完美响应皮肤的微小应变。在新一代高精尖军用武器装备方面，超级电容器因其具有高功率密度、快速充放电速率和长循环寿命等优势能够作为高功率脉冲电源，为电磁炮或者高功率束能武器提供动力源。然而，在超级电容器的应用过程中，常面临一些极端的工况条件(高/低温、高拉伸/压缩、高/低湿度等)，这对超级电容器的机械稳定性、自愈性、柔性和安全性等性能提出更高的要求。电解质是影响超级电容器的性能和寿命的关键组成之一，提升极端环境下超级电容器电解质的性能，如高柔韧性、自愈性和高安全性等是未来工作的挑战。聚合物电解质由于具有质量轻、柔性及界面接触良好等特点，成为新一代高柔韧性、高安全性超级电容器的理想候选电解质之一。然而，无论从基础研究还是实际应用的角度，对超级电容器聚合物电解质在极端环境下的研究进展的总结都非常有必要，这将有助于推动超级电容器产业的进一步发展。因此，本文简要介绍了超级电容器的分类、组成及特点，从高/低温、高拉伸/压缩、高/低湿度角度梳理了极端环境下超级电容器聚合物电解质的研究进展。最后，讨论了超级电容器在极端条件下的发展所面临的问题和未来发展方向，为推进超级电容器的发展和实际应用提供了可借鉴的新思路。

1超级电容器的分类、组成及特点

根据电荷储存机制的不同，超级电容器可分为双电层电容器、赝电容器和混合电容器，储能的机理和常用的电极汇总示意在图1中。超级电容器主要由电极、电解质(使用液体电解质的超级电容器需要隔膜)和集流体组成，其中，电解质是超级电容器的重要组成之一，影响和决定了超级电容器的性能、寿命和安全性等。

图1???超级电容器的分类、发展及特征

1.1超级电容器分类

双电层电容器是由电极/电解质界面处的电子或离子的定向排列引起的电荷相互吸引从而形成双电层，双电层通过吸引相反电荷而稳定，这导致在正极和负极之间产生相对稳定的电位差进而存储电荷。通过电解质离子在电极材料表面的吸附/解吸过程实现电荷的积累/分散和能量的储存/释放，该过程的重要特征是电极和电解质界面之间不发生电荷转移，即非法拉第过程。其中，碳材料由于比表面积高、电化学稳定性好和孔隙开放等特点，成为双电层电容器研究和使用最广泛的电极材料，主要包括一维碳纳米管、二维石墨烯、三维模板碳、商用活性炭和碳气凝胶等碳材料。赝电容器主要依靠法拉第过程来存储电荷，法拉第过程涉及活性材料表面或近表面的快速可逆氧化还原反应。赝电容器的电活性材料包括各种贵金属或廉价的过渡金属氧化物/氢氧化物[RuO2、MnO2、Co3O4、NiO、Co(OH)2和Ni(OH)2、水滑石(LDH)]和导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等)等。赝电容器根据不同的电化学过程，有以下3种不同的电荷存储机制(图1)：①欠电位沉积，在金属-电解质界面，电解质中的离子沉积电位小于平衡电位时发生欠电位沉积。例如，常见的欠电位沉积有Ag