[发明专利]超级电容器电极

说明书

发明领域

本发明涉及超级电容器电极，特别是氧化锰为基体的超级电容器电极，其中的氧化物通过计时电流法电沉积而覆盖于电极上。虽然将在下文中具体参考某些应用以对本发明进行描述，但是应当了解其并不仅限于该特定应用领域。

发明背景

专利申请文件中的任何关于现有技术的讨论绝不应被视为承认这些现有技术为本领域所公知或构成本领域公知常识的一部分。

现代社会所面临的最大挑战之一是能源的有效供给。目前，大部分能源在化石燃料燃烧发电站中产生，这些发电站是环境中的温室气体排放量的主要贡献者。近来，在“可再生”能源，如水电、太阳能、地热能、风能、生物能等的开发和拓展上已经付出了相当大的努力。但是，目前这些新技术中还没有一种具备实际的能力以经济地替代基于化石燃料的电力[N.S.Lewis,Scientific Challenges inSustainable Energy Technology,Plenary Lecture 208^th Meeting of the ElectrochemicalSociety，Los Angeles,October 2005]。因此，为了利用这些较小规模的、“可再生”形式的能源，未来的能源生产可能将是更为分散和间断的。

持续增长的能源需求的主要驱动力之一，是日益扩大的电子产品如计算机、通信设备和可编程的消费类电子产品的规模。为了提高这些产品及其它电子产品的性能，在这类产品中使用的电容器必须有越来越大的容量和越来越高的稳定性。伴随着消费性产品的革命，对于能源储存和能源效率的重要性的认识得到了提高。能源存储有多种途径，尤其是当存储为化学能时，电池、电容器（包括超级电容器）和燃料电池皆为备选项。

Ragone已经总结了电池、超级电容器和燃料电池的相关的特性[D.Ragone,Proc.Soc.Automotive Engineers Conference,Detroit,May 1968]。概括来说，燃料电池以功率密度为代价提供最高的能量密度，而超级电容器的性能基本上是相反的。电池一般位于介于燃料电池和超级电容器之间的区域，其提供高于超级电容器的能量密度和高于燃料电池的功率密度。已有大量的全球范围的研究致力于优化各种电源的性能，以及确定它们的最佳应用。这类研究的焦点被广义地划分为或是先进材料开发（如在本发明的情况下），或是通过组建更高效、更高性能的设备来进行系统开发。

在传统的电容器中，能量是通过电荷载体，通常是电子从一个金属板转移出来并把它们沉积到另一个金属板来储存的。这种电荷分离造成了两个板之间的电势差，其可被外部电路利用。以这种方式存储的总能量与存储的电荷数目和板间电势都是成正比的。储存的电荷数量本质上是板的尺寸和材料性能的函数，而板间的电势受介电击穿限制；板间的不同间隔材料导致了不同的电压。对于任何给定尺寸的电容器，优化间隔会带来更高的能量密度。

超级电容器的一种形式可以大致被归类为双电层电容器（EDLC），其采用具有高比表面积的颗粒或纤维作为电极材料。其它形式的超级电容器包括金属氧化物或导电聚合物。

双电层电容器EDLC具有相对长的寿命，但由于电荷积累只在双电层的表面，因此EDLC的电容一般低于以金属氧化物为基或以导电聚合物为基的超级电容器的电容。以金属氧化物为基的超级电容器中的金属，具有经受多种价态的变化的能力，这就使得快速的还原和快速的氧化反应可以发生。分别对应于放电和充电过程的氧化还原反应，需要离子和电子在电解质和电极之间快速移动。因此，电极优选地具有高的比表面积，并且电极活性物质理想情况下具有高导电性。