超级电容器：科学与技术

《超级电容器： 科学与技术》是“先进电化学能源存储与转化技术丛书” 分册之一，书中根据电化学储能原理、电极材料和电解液对超级电容器进行分类，详细介绍了双电层超级电容器、赝电容电容器、水系混合储能器件、锂离子电容器、微型电容器的构成和工作原理以及当前的最新进展，并从应用出发，对超级电容器当前的应用领域及国内外的相关政策进行了论述和展望。 本书内容全面，且包含了超级电容器一线研究人员对该领域的深刻见解，并对一些容易混淆的概念做了澄清，将对相关领域科研人员、高校相关专业研究生和高年级本科生深入理解超级电容器的发展和相关原理大有裨益。

张久俊，教授，博士生导师，国际电化学能源科学院创始人。研究领域涉及物理化学、材料学、电化学、电分析、电催化、电池、锂离子电池、燃料电池、超级电容器、光电化学以及传感器等各个方面，主要集中于纳米材料（电极材料和电极催化剂），纳米技术在电化学能源、转换和存储方面，包括燃料电池、电池以及超级电容器等方面的研究开发。发表550多篇同行评审论文，论文他引超55000余次，H指数96，获16项美国及欧洲专利。2014-2021连续8年入选全球高被引科学家。

第1章 超级电容器概述1 1.1　从传统电容器到超级电容器3 1.1.1　传统电容器3 1.1.2　基于电化学的超级电容器及其主要类型4 1.1.3　双电层电容7 1.1.4　法拉第赝电容8 1.1.5　锂离子超级电容8 1.1.6　混合型超级电容9 1.2　超级电容器的特点9 1.3　超级电容器材料概述10 1.3.1　碳基材料11 1.3.2　过渡金属氧化物材料11 1.3.3　导电聚合物基电极材料12 1.3.4　其他新型电极材料13 1.3.5　超级电容器电解质材料13 1.4　超级电容器的机遇与挑战14 1.5　超级电容器产品典型案例15 参考文献18 第2章 超级电容器表征技术20 2.1　材料特性表征21 2.1.1　比表面积和孔结构21 2.1.2　官能团表征24 2.1.3　原位核磁共振波谱27 2.2　电化学表征28 2.2.1　暂态技术28 2.2.2　稳态技术33 参考文献39 第3章 碳基超级电容器电极材料41 3.1　概述42 3.2　碳基超级电容器的工作原理44 3.2.1　双电层电容44 3.2.2　附加准法拉第反应的准电容45 3.2.3　碳基超级电容器电荷存储机制46 3.2.4　碳基超级电容器充电和放电动力学47 3.3　超级电容器用碳基电极材料49 3.3.1　碳材料发展历程简介49 3.3.2　活性炭51 3.3.3　碳纳米管52 3.3.4　石墨烯53 3.4　影响碳材料电容的因素54 3.5　碳材料在电化学电容器中的应用55 参考文献60 第4章 赝电容电极材料63 4.1　赝电容的分类及产生机制64 4.1.1　欠电位沉积赝电容64 4.1.2　氧化还原赝电容65 4.1.3　插层赝电容67 4.1.4　赝电容的产生机制67 4.1.5　电极材料本征赝电容和非本征赝电容特性69 4.1.6　赝电容储能的动力学特性70 4.2　典型赝电容材料74 4.2.1　钌基氧化物74 4.2.2　锰基氧化物75 4.2.3　导电聚合物78 参考文献79 第5章 水系介质中的非对称器件和混合器件84 5.1　对称超级电容器87 5.2　非对称超级电容器87 5.3　正极材料89 5.3.1　金属氧化物89 5.3.2　其他金属化合物94 5.4　负极材料97 5.4.1　金属氧化物/氢氧化物97 5.4.2　其他金属化合物101 5.4.3　水系非对称电容器电位窗口102 5.5　混合超级电容器105 5.5.1　电池型正极//电容型负极混合体系107 5.5.2　电容型正极//电池型负极混合体系110 参考文献110 第6章 锂离子电容器116 6.1　锂离子电容器发展历史与优势118 6.1.1　锂离子电容器的发展历史118 6.1.2　锂离子电容器的优势119 6.2　锂离子电容器的结构和工作原理120 6.2.1　锂离子电容器的基本结构及原理120 6.2.2　锂离子电容器的能量限制原理123 6.3　锂离子电容器的结构设计与性能126 6.3.1　正极材料的选择126 6.3.2　负极材料的选择129 6.3.3　电解液的选择133 6.3.4　负极预嵌锂133 6.3.5　正负极匹配137 6.3.6　测试与表征方法139 6.4　锂离子电容器的应用143 6.4.1　电网储能领域143 6.4.2　新能源汽车领域143 6.4.3　轨道交通领域144 6.4.4　军事装备领域145 6.5　结论与展望145 参考文献146 第7章 微型和柔性超级电容器150 7.1　微型/柔性超级电容器的组装151 7.1.1　印刷电极152 7.1.2　模板涂层法156 7.1.3　刻蚀电极157 7.1.4　光刻蚀158 7.1.5　反应离子刻蚀158 7.1.6　等离子体刻蚀159 7.1.7　激光直写159 7.2　电解质的分类与制备160 7.2.1　凝胶电解质161 7.2.2　无机固态电解质162 7.2.3　塑料晶体电解质163 7.3　微型/柔性超级电容器的应用163 7.3.1　作为环境能源的储能单元163 7.3.2　微型集成电子设备164 参考文献164 第8章 超级电容器的应用167 8.1　超级电容器工作原理与优势168 8.1.1　超级电容工作原理及分类168 8.1.2　超级电容储能优势169 8.2　超级电容相关政策171 8.2.1　国外相关政策171 8.2.2　国内相关政策171 8.3　超级电容应用领域173 8.3.1　智能仪表173 8.3.2　光伏发电和风力发电177 8.3.3　轨道交通181 8.3.4　电动大巴182 8.3.5　乘用车183 8.3.6　军用载运工具185 8.3.7　其他领域185 8.4　超级电容应用前景190 8.4.1　现有超级电容产业市场规模190 8.4.2　我国超级电容的发展趋势193 8.5　超级电容器的应用展望193 参考文献194 索引196