超级电容器的能量限制与提升措施

章磊，黄军，郑俊生，3，郑剑平，3

（1同济大学新能源工程中心，上海201800；2同济大学汽车学院，上海 201800；3美国佛罗里达州立大学，美国佛罗里达州塔拉赫西 FL32310）

超级电容器的能量限制与提升措施

章磊1，2，黄军1，2，郑俊生1，2，3，郑剑平1，2，3

（1同济大学新能源工程中心，上海201800；2同济大学汽车学院，上海 201800；3美国佛罗里达州立大学，美国佛罗里达州塔拉赫西 FL32310）

介绍了超级电容器是一种新型的绿色能量存储装置，具有高功率、良好循环寿命和工作温度范围广等优点，但是其能量密度较低，甚至达不到新型锂离子电池能量密度的十分之一，成为了限制超级电容器应用的主要问题。文章指出传统超级电容器能量密度限制因素包括：仅电极表面活性物质参与反应，电极电势充放电过程中会不断变化，以及充电过程中电解液离子的消耗等。减少电解液中离子的消耗与提升电极容量成为了解决能量密度较低的有效措施，目前研究的重点包括采用混合型结构、锂离子型结构的超级电容器等。文章指出锂离子电容器结合了传统双电层电容器和锂离子电池的优势，在保持高功率密度的同时提升了能量密度，是一种极具发展前景的混动和纯电动汽车电源。由于预嵌锂的负极也可作为锂的来源，因而锂离子电池可以选择更多的正极材料，从而开启了锂离子电池研究的新大门。

超级电容器；能量密度；电解液；容量；锂离子超级电容器

进入21世纪以来，中国社会进入了汽车化时代，我国生产和销售的汽车量已经连续5年为世界第一。随着汽车市场的不断拓展，随之而来的问题也日益突出，其中能源消耗和环境污染是最为主要的难题。

为了应对能源消耗和环境污染对汽车行业带来的不利影响，新型混合动力汽车和纯电动汽车成为了解决上述难题的新途径。混合动力汽车是将发动机与电动机巧妙结合，实现能量的重复循环利用，减少能耗和排放量。纯电动汽车则以动力电源作为唯一驱动力，实现了零排放和零污染。但受限于高昂的成本和复杂的电池，混合动力汽车和纯电动汽车发展差强人意。目前混合动力汽车电源主要采用的是锂离子电池，这些电源存在着循环寿命较短，功率密度较小等问题，急需具有良好循环寿命和较大能量密度与功率密度的电源。

超级电容器具有循环寿命长，可承受快速的充放电过程，工作温度范围广等优点，因而逐渐吸引了众多研究者，成为电动汽车或者混合动力汽车的可供选择的电源之一。然而超级电容器本身的能量密度不高，成为了限制超级电容器大范围发展推广的主要限制因素[1-2]。认识超级电容器能量密度的限制原理和研究提升其能量密度的方法，成为目前研究的热点问题。

超级电容器是从20世纪70年代发展起来的一种电化学设备。它可以看作是由两片不发生法拉第化学反应的多孔电极材料组成的电源器件，其电化学能量是通过电解液的极化获得。在充电过程中，阴阳离子分别在正极和负极聚集，由此会形成两个电化学存储层。超级电容器通常也被称为双电层电容器。目前超级电容器广泛的应用在汽车的启停系统、军事化武器、清洁储能设备等领域。

1 超级电容器简介

1.1 超级电容器的发展历史

超级电容器的发展已经有了较长的历史，但是它真正的大规模应用直到近代才实现。

1879年HELMHOLZ发现了双电层电容器的特性，并且提出了双电层电容器的概念。1957年，BCKER首次提出了小型的电容器可以用作储能设备。1966年，标准石油公司SOHIO首次申请了利用高比表面积活性炭材料制备高性能的双电层电容器的专利。随后这项专利卖给了NEC公司。1979年，NEC公司开始为汽车的启停系统生产超级电容器[3]。

1.2 超级电容器的分类

根据能量存储方式的不同，超级电容器可以分为电化学双层电容器、赝电容器型电容器和混合型超级电容器等。

电化学双电层电容器是取决于在固体和液体接触表面形成的双电层来储存和传输能量。图1为单个双电层电容器的工作原理示意图。由于电极表面上不存在法拉第化学反应，根据电化学理论这种电极属于完全极化电极。这种表面存储能量机理允许非常迅速的储能和放电过程，因而双电层电容器的功率特性和循环稳定性都非常优秀，但双电层电容器的能量密度很低，只有1～7Wh/kg。这在一定程度上限制了双电层电容器的大范围应用。如何提升电容器的能量密度，人们把目光投向了具有法拉第反应的赝电容型电容器。

图1 单个双电层电容器的原理以及在电极和电解液表面的电势下降[4]

CONWAY等[5]首次提出了法拉第赝电容的理论。赝电容的能量存储机理包含两个方面，一是在电极表面形成的双电层电容可以存储电荷，二是发生在电极表面或近表面的法拉第赝电容存储电荷。因此，赝电容存储电荷的能力要远远大于传统的双电层电容器，可获得比双电层电容器更高的电容量和能量密度。

为了能进一步的提升超级电容器的能量密度，近些年来研究者们开发出一种混合型超级电容器。这种混合型超级电容器其中一个电极采用电池型材料，例如金属氧化物、导电聚合物等，通过电化学氧化还原反应存储和释放能量。另一个电极采用双电层电容器的电极材料。混合型超级电容器充分利用了两电极的合理匹配，协同耦合，实现能量密度的提升。

1.3 超级电容器与其他化学电源对比

目前市场上主流的化学电源主要包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和超级电容器等。铅酸电池具有价格低廉，温度适用范围广，回收利用率高等优势，是目前在市场上用量最大的电池。镍氢电池是由镍镉电池改良而来，相较于镍镉电池具有更高的电容量、较不明显的记忆效应以及较低的环境污染。镍氢电池广泛应用在消费性电子产品、风能存储和混合动力车辆上。锂离子电池依靠锂离子的嵌入和脱嵌过程来存储和释放能量，具有高能量密度和无记忆效应等优点，是目前便携式电子设备中锂离子电池是使用最广泛的电池，也是电动汽车的主流电源，除此之外在军事和航空航天领域都有应用。

图2和表1对比了4种主流电源系统在能量密度、功率密度、循环寿命等方面的差异。从表1中可以看出，相比于锂离子电池和铅酸电池，传统的超级电容器拥有更高的功率密度（1～10kW/kg），更高的能量效率（85%～98%）和更长的循环使用寿命（＞500000次）。然而，传统超级电容器的能量密度很低（1～7Wh/kg），甚至不到锂离子电池能量密度的1/10。

图2 不同种类的能量存储设施的能量密度与功率密度示意图[2]

1.4 超级电容器能量限制的主要因素

超级电容器具有循环寿命长、功率密度高、工作温度范围广等优势，但能量密度较低是限制其发展的一个重要因素。解决超级电容器能量密度的限制因素，提升超级电容器的能量密度是目前研究者们关注并着力研究的热点问题。超级电容器主要由正极、负极和电解液等组成。这三者中的最小值会决定整个体系的能量密度上限，因此可从这三者分析，寻找能量限制的主要因素[2，6-7]。

（1）锂离子电池正、负极的活性物质均参与电极反应，其能量来源于电极中锂离子的嵌入与脱嵌过程。而超级电容器仅仅是与电解液直接接触的表面参与吸附与脱附过程。活性物质占整体的比例较小，其余部分占据了较大的质量却不提供能量，限制了超级电容器的能量密度提升。因此，选取高比表面积的材料，增大电解液与活性材料的接触面积，减少接触电阻都有效提升电容器的能量密度。

（2）锂离子电池在充放电过程中电势较为稳定，基本维持在电势平台附近，这样不仅工作电势范围较大，可获得的能量密度较高，并且能量输出较为稳定。相反，超级电容器在充放电过程中由于电解液中阴阳离子受化学作用力的吸引而发生迁移，两电极电势会不断发生变化，如图3(a)所示。因此电容器不仅电势范围较低，能量密度较低，而且输出能量不稳定。如果超级电容器维持负极电势较低，如图3(b)所示，则可以获得更大能量密度。

图3 两种电容器充电过程电势变化示意图

表1 不同类型的能量存储设备的性能对比

图4 双电层电容器在充放电过程中离子的迁移示意图

（3）锂离子电池中，由于正极材料可以提供锂离子，因而在整个充放电过程中不会消耗电解液中的离子。对于超级电容器，充电过程中，电解液中的阴阳离子会吸附在正负极表面，如图4所示。这部分阴阳离子参与了双电层的形成，导致电解液中实际参与导电的离子量下降，消耗了部分电解液，因而电容器所能存储的最大能量由两电极所能达到的最高电压和电极表面所能存储的最大电荷量决定。然而，溶剂中离子浓度要远低于固体电极材料，如1mol/L电解液中的离子浓度大约为6×1020ion/cm3，如果折算成比容量只有22.3mAh/g（以3.0V计算）。而容量为120F/g的活性炭在3.0V的电压范围内，其等效比容量仅为100mAh/g。相比于钴酸锂材料，其理论容量为274mAh/g，实际容量为140mAh/g左右。

也是这个原因，电解液是电容器最主要的能量限制因素之一。

（4）工作电势也是影响电容器能量密度以及循环使用寿命的重要因素。图5为A、B、C 3种不同开路电势的电容器在充电过程中的电势示意图。充电曲线与横坐标形成的面积表示了能量密度。比较A和B可以看出，工作电势越大，能量密度越大。但是C电容器的工作电势超过了电解液的稳定电势窗口，这会对系统循环寿命和稳定性产生不利的影响。因此，为了使电容器具有较高的能量密度，工作电势应该与电解液的电化学稳定性相匹配来获得最优化。

图5 3种电容器的充电过程电势变化示意图[6]

2 超级电容器能量提升的主要措施

传统超级电容器的能量密度受限于上述因素，为了提高超级电容器的能量密度，研究者开发了赝电容超级电容器、混合型电容器、钛酸锂（LTO）型电容器以及锂离子超级电容器等等新型结构的超级电容器。

2.1 赝电容超级电容器

与双电层超级电容器相对，赝电容超级电容器上发生高度可逆法拉第反应，其电极材料主要包括过渡金属氧化物，如氧化钌、氧化镍、氧化钴等。相较于电化学电容器，赝电容具有更高的能量密度。ZHENG等采用RuO2·xH2O作为电极材料的赝电容的能量密度可以达到26Wh/kg[8]。

图6 核壳结构电极片设计制备示意图

LIU等[9]开发了一种新型的混合金属氧化物核壳纳米线阵列结构电极材料，其核壳结构的制备过程如图6所示。这种结构具有3个特点：第一，内核和外壳材料都采用具有良好赝电容特性的金属氧化物材料，如MnO2、Co3O4等。第二，理想状态下纳米结构的内核和外壳会与电解液中的阴阳离子发生氧化还原反应并提供电化学能量。第三，混合的纳米线各自分离并在基体上固化，这可以避免使用聚合物粘结剂和导电剂，从而减少了电极添加剂材料。选取MnO2作为外壳材料，Co3O4作为内核材料，这种核壳纳米线阵列结构显示出了很高的容量（在2.67A/g电流下有480F/g的容量），良好的循环性能（5000圈后仅损失2.7%容量）以及优秀的倍率性能（在电流密度44.7mA/cm2下仍然有56%的容量）。除此以外，核壳结构的碳包覆金属氧化物（如SnO2、TiO2）也具有良好的实际应用前景。这种核壳结构有望有效解决金属氧化物易溶于电解液、充电体积膨胀过大等问题[10]。

CHEN等[11]采用一步法制备多孔镍钴硫化物，开发了基于多孔形态镍钴硫化物的电容器。相比于金属Co和Ni，镍钴硫化物显示出优秀的赝电容特性，有着很高的电容量，良好的倍率容量以及长的循环稳定性。Ni1.5Co1.5S4样品在1A/g的电流下显示出高达1093F/g的容量。除此之外，将Ni1.5Co1.5S4材料和还原的石墨烯氧化物组合成不对称超级电容器，这种不对称电容器显示出很高的电容性（1A/g下有113F/g），很高的能量密度（在775W/kg下有37.6Wh/kg）以及优秀的功率密度（在17.7Wh/kg下有23.25kW/kg）。

赝电容由于法拉第反应的参与，具有较高能量密度和优秀的功率密度。但是赝电容仍然存在一些问题，主要体现在结构稳定性和循环寿命方面。RuO2具有优越的电化学性能，但是受限于贵金属价格昂贵；导电聚合物虽然电化学活性高，但是循环稳定性能差；其他的氧化物存在导电性差和结构不稳定等亟需改进的问题。通过改善微观形貌、构建三维复合材是今后赝电容发展的一个重要方向[12]。

2.2 混合型铅酸电池、镍氢电池和混合型超级电容器

为了能进一步的提升超级电容器的能量密度，近些年来研究者们开发出混合型电源器件和混合型超级电容器。关于混合器件的概念从提出到应用已经有较长的时间，不仅仅是在超级电容器方面，在许多其他能量储存装置内也有很多混合的应用。2.2.1 混合型铅酸电池和镍氢电池

图7 混合型铅酸电池的示意图

目前混合型电源主要通过在电极材料中加入活性炭实现两电极的合理匹配，协同耦合，提升整体工作电位窗口，从而提升了能量密度。大体上可以分为两大类，一类是以LAM等[13]为代表开发的新型Super Battery铅酸电池，如图7所示。相比于传统的Pb作为负极，通过将Pb负极与活性炭并联，实现性能的提升。另一类为在电池中的一个电极材料内加入活性炭，如Pb负极中混入活性炭，正极仍为PbO2。国内学者也研究了新型镍氢电池[14]，在储氢合金粉中混入活性炭，正极保持为氧化镍，这种混合型电池被称作镍碳超级电容器。在电池的一极中混入活性炭，难点是如何控制活性炭的品质以及掺入的量以求达到最佳效果。总体而言，这类的电池功率密度和能量密度通常都介于电池和超级电容器之间，但是更加接近于电池。

但是这些通过在电池中添加活性炭的方法无法很显著地提升性能。无论铅酸电池还是镍氢电池，采用的电解液均为水系，受限于水的分解电势较低，因此工作电压一般都不超过2.0V，从而性能提升效果不是很明显。

2.2.2 混合型超级电容器

相比于混合型电源器件受限于较低的工作电势，能量密度的提升十分有限，超级电容器可以承受更高的工作电势，因此混合型超级电容器可以体现出比铅酸混合电池等更高的性能。目前混合型超级电容器结合了双电层电容器的碳材料和一些赝电容器的电极材料。一般具有以下几种类型。

（1）活性炭/石墨混合型电容器 2006年YOSHIO等[15]发现，当电势超过某一值时某些石墨材料可以嵌入阴离子。传统的超级电容器正负极材料都选用活性炭，这种石墨可以作为正极材料替代传统的活性炭。以有机系作为电解液组装成的混合型电容器在2～3.5V下工作可以获得15Wh/kg的能量密度。这种电容器具有较高的工作电势（一般在3.5V左右），并且正负极材料来源较为广泛，制备工艺较为简便。此外，以碳化物的衍生碳作为电极材料也得到较广泛的研究[16]。

（2）活性炭/NiOOH（FeOOH）混合电容器 氢氧化镍具有成本低廉、比容量高、容量保持率较高和氧化还原反应活性较高等优势，是一种极具发展前景的赝电容材料，受到研究者们的广泛关注。将活性炭与氢氧化镍结合成混合型超级电容器，充电过程中，会发生如下的反应。

在充电过程中，电解液中的OH–会移向正极并与Ni(OH)2反应生成NiOOH，释放出电子。同时，K+离子会向负极移动并产生吸附电容。通过改善氢氧化镍电极材料的结构和形貌，可以提升材料的性能。LIN等[17]研究发现由NiOOH、Ni3S2和3D石墨烯混合而成的电极在5mV/s的扫速和0～1.6V的操作电势下可以获得233F/g的电容。石墨烯是另一种非常具有前景的混合型超级电容器的材料，石墨烯具有高比表面积、多孔结构和高导电性等优势。但是这种体系在充电过程中仍然需要消耗电解液中的离子，因而能量密度还是受限于电解液中离子的浓度。杨德志等[18]发现减少石墨烯片层聚集和堆叠能获得良好体积比电容。此外，提升电极材料的利用率也是今后应用基础研究的重要方向。

（3）LiTi2(PO4)3/MnO2，活性炭混合电容器 最近，碳包覆的材料吸引了大量的关注，以碳包覆的LiTi2(PO4)3制备的混合型电容器显示出了很好的循环寿命。以MnO2作为正极，系统的容量可以达到36mAh/g，能量密度达到47Wh/kg。这种系统的容量保存也非常优秀，并且能量密度和功率密度也不低。以活性炭作为正极时，系统的容量和能量密度分别达到30mAh/g和27Wh/kg[19-20]。

（4）活性炭/Li4Ti5O12(LTO)混合电容器 近些年来，嵌锂材料Li4Ti5O12作为负极材料显示出良好的性能。LTO的电极电势为1.55V，在此电势下电极表面不会与电解液形成SEI层。当LTO作为负极材料与活性炭正极材料结合时，形成了一个内部混合的系统。充电时电极反应如下。

Li4Ti5O12材料拥有性能稳定、安全以及循环寿命长等特点。这种尖晶石材料是一种零应变化合物，并且在充放电过程中拥有非常平整的电势平台，因此它可以避免充放电过程中材料结构的破坏，提升系统的循环特性以及寿命。然而，尖晶石的LTO粉末电导率却很低，仅仅只有10～13S/cm，这在一定程度上限制了超级电容器的功率密度。

为了增强LTO的导电性，研究者们做了大量的工作，主要包括：减少LTO颗粒的尺寸，提高结晶度，负载各种各样的原子或者是用各种碳材料修饰[21-24]。碳材料具有良好的导电性，通过添加碳来提升材料的导电性是一种有效且高效的方法。NAOI等[25-26]对比了不同材料对超级电容器性能的影响，研究开发出将纳米LTO掺入碳纳米纤维中，所制得的电极可以在300C的倍率下稳定放电[27]。CHOI等[28]制备了Li4Ti5O12和活性炭混合物，将这种LTO-AC混合纳米管作为负极，AC作为正极，这种混合系统体现出了32Wh/kg的能量密度和高达6000W/kg的功率密度。NI等[29]设计出，通过溶胶凝胶反应获得结晶程度很好的碳包覆LTO纳米颗粒，制备LTO-C纳米混合物。以LTO-C作为负极，AC作为正极组成电容器在1.5～3.0V工作电势范围内可以获得20Wh/kg和37kW/kg。32C的倍率下循环9000次后容量仍然高达84%。

然而，AC/LTO体系的能量密度主要取决于活性炭电极，相比较于Li4Ti5O12电极，活性炭发生的是吸附/脱附非法拉第反应，这种反应存储的能量是非常有限的。同时，系统的功率密度主要取决于Li4Ti5O12电极，这是由于Li4Ti5O12电极发生的嵌入/脱嵌反应是相对缓慢。王成扬等[30]研究了不同钛酸锂负极材料的性能，认为钛酸锂材料除了在电导率方面，还需在材料胀气、材料比能量以及电极电位方面需要改善。

3 锂离子超级电容器

为了进一步提升超级电容器的能量密度，研究者开发出了锂离子超级电容器。锂离子超级电容器集合了锂离子电池和传统超级电容器的优势，可以在高功率密度、长寿命和宽工作温度的同时获得传统超级电容器3～5倍的能量密度。

锂离子超级电容器一般正极采用电容材料，是能量密度限制的主要因素，活性炭是选择最多的材料。这是由于活性炭具有较大的表面积以及良好的导电性，可以满足离子快速的吸附脱附过程。负极一般采用预嵌锂的电池负极，是功率密度限制的主要因素，主要包括预嵌锂的碳材料如硬碳、软碳和石墨以及锂的金属氧化物等[31]。预嵌入的锂可以在首次充电过程中补充电解液中消耗的部分离子，并且保持负极电势处于一个相对较低的值，进而可以保持负极材料的稳定性以及增大电容器的循环使用寿命。同时，预嵌入的锂也可以提升电容器的工作电势范围。这种独特的设计和结构可有效提升锂离子超级电容器整体的容量和能量密度。

CAO等[31]对比研究了石墨、软碳和硬碳负极材料的特性。从图8中可以看出，石墨3种负极材料中拥有最大的容量但功率性能较差；相反硬碳具有最好的功率特性但容量相对较低。软碳的特性介于两者之间。

图8 3种不同负极材料在不同放电电流下的电势变化曲线

图9 锂离子电容器结构示意图

将锂材料预嵌入负极是锂离子超级电容器的特有过程。预嵌锂的方法，预嵌锂的过程以及预嵌入锂的量都会对锂离子超级电容器的性能产生严重的影响。目前，主要有两种预嵌锂的方法（图9）[32-33]。一种为捷时雅公司（Japan Synthetic Rubber，JSR）开发的三电极法[34]，如图9(a)所示，即将负极与锂片通过短路连接的方式将锂离子嵌入到负极中。JSR三电极法最大的问题是高昂的成本，以及复杂的操作流程，会在一定程度上限制了这种技术的大范围应用。SHI等[35-36]通过电池恒流充电过程实现了负极的预嵌锂，并发现石墨负极在预嵌锂容量低于200mAh/g时能保持结构的完整性，当容量持续增加时，会产生不同的组成与转化过程，在容量为300mAh/g时，具有最优的性能。以活性炭作为正极，预嵌锂容量为300mAh/g的中间相碳微球（mesocarbon microbeads，MCMB）石墨为负极组装成的锂离子电容器具有优秀的能量密度（92.3Wh/kg）、功率密度（5.5kW/kg）以及良好的循环稳定性。

另一种为ZHENG等开发的超稳态金属锂粉末法（SLMP）[37]。采用SLMP法预嵌锂过程如图10、图11所示[38]。选择合适量的SLMP，通过刮刀将SLMP均匀分布在负极活性物质的表面，再用滚轮将SLMP压至目标厚度。这种添加SLMP的方法不仅可以严格控制添加的锂含量，并且除去了繁杂的三电极过程，不需要昂贵的多孔铜集流体，生产上更加容易实现。

预嵌锂过程发生的反应包括：金属锂与电解液接触表面，反应式为Li—→Li++e–；金属锂与负极接触表面，反应式为Li++e–—→Li。

图10 在负极添加SLMP过程的示意图[38]

在上述两个过程中，电子从金属锂流入负极的同时，Li+会通过电解液从金属锂的表面进入到负极表面，如图11所示。为了确保电子能有效地从金属锂流入到负极中，需要适当提供部分压力来消除接触电阻。除此之外，需要至少50N/cm2的压力来打破SLMP表面的保护膜。

锂离子超级电容器在能量密度、功率密度和循环寿命上体现出了很大的优势。第一，由于预嵌锂的加入，充放电过程中电解液中的离子不会大量地消耗，因此所需的电解液是比传统电容器的要小得多。另外，采用电池材料如硬碳和石墨为锂离子超级电容器的负极材料，这些材料的电容性是比活性炭更高。锂离子超级电容器的工作电势范围高达4.0V，高于传统超级电容器2.7V。这些因素导致锂离子超级电容器的能量密度是比传统超级电容器的能量密度大得多。第二，锂离子超级电容器拥有与传统超级电容器相当的功率密度。锂离子超级电容器更高的工作电势也有利于功率密度的提升，功率密度是与电势的平方呈正向关系。第三，锂离子超级电容器比锂离子电池有更长的循环寿命，这是因为锂离子电容器采用的活性炭电极以及相对较浅的充放电过程。

图11 金属锂嵌入负极的示意图

4 结论

超级电容器是一种绿色储能电源，具有高功率密度和稳定的循环使用寿命等优势。但是，较低的能量密度成为了限制超级电容器发展应用的关键因素。超级电容器的能量密度主要受限于：①仅与电解液直接接触的电极材料参与电极反应；②电极电势在充放电过程中不断变化；③充电过程会消耗电解液中的离子；④电极工作电势与电解液稳定电势窗口的制约。

为了有效提升超级电容器的能量密度，近些年来开发了多种不同类型的超级电容器，包括有法拉第反应参与的赝电容超级电容器、有结合双电层电容器和赝电容器电极材料的混合型超级电容器、有以钛酸锂作为负极的钛酸锂型超级电容器、有负极预嵌锂的锂离子超级电容器等。锂离子超级电容器解决了锂离子电池和超级电容器电势匹配的问题，将锂离子电池和电容器的优势结合，在保持有较高功率密度的同时维持了较高的能量密度；同时生产工艺延承了锂离子电池的制造技术，是一种极具应用前期的电源器件。

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The limited energy density and improving measurements for supercapacitors

ZHANG Lei1，2，HUANG Jun1，2，ZHENG Junsheng1，2，3，ZHENG Jianping1，2，3
（1Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201800，China；2School of Automotire Studies，Tongji University，Shanghai 201800，China；3Florida State University，Tallahassee，Florida 32310，USA）

Supercapacitor is a new type of green energy storage device with high power density，long life cycle，and wide range of working temperatures. However，its energy density is quite low and is less than 1/10 of the advanced lithium ion batteries are. The low energy density of traditional supercapacitors is the main reason of their limted applications. For the traditional supercapacitor，the elements limiting the energy density include that：①only the surface materials of the electrode is used for the reaction；②the potential of electrode continuously changes during the charge and discharge processes；③the ions in the electrolyte get consumed during the charge process. As a result，reducing the consumption of ion in the electrolyte and improving the capacity of electrode become the effective measures to solve the problem of low energy density. And it includes the hybrid structure and lithium ion structure. Since the negative electrode can work as the source of lithium，lithium ion battery can choose much more different positive electrode materials and open the new gate for the researches.

supercapacitor；energy density；electrolyte；capacity；lithium-ion supercapacitor

TM532

：A

：1000–6613（2017）05–1666–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.015

2016-07-18；修改稿日期：2017-01-02。

国家科技部科技支撑项目（2015BAG06B00）。

章磊（1991—），男，硕士。联系人：郑俊生，副研究员。E-mail：jszheng@tongji.edu.cn。