文 献 综 述
摘要：通过控制水热反应参数制得氧化镍，对其进行测试确定适宜的水热生长条件，比较不同的生长条件对氧化镍形貌和性能的影响；选择其中电化学性能相对较好的氧化镍，与不同碳源（石墨烯、碳纳米管、生物碳荷叶、椰壳）进行复合，并研究比较制备样品的形貌和电化学性能，比较这些材料对于氧化镍的形貌改变，及电化学性能的改善作用，得到电容量高，循环循环性好的超级电容电极。
关键词：水热反应参数 氧化镍 碳纳米材料 活性炭 复合电极
1 引言
能源是人类生存和发展的重要物质基础[1]。能源存储是缓解能源问题的有效途径。随着科技和社会的迅速发展，对高性能电源的需求量越来越大。这些电源装置不仅高的比能量，而且还要有高的比功率。传统静电电容器尽管有大的比功率，但其比能量较小，因此不能满足实际要求。同时，如今电动汽车等对电源功率的要求逐渐提高，而当今电池却不能达到其要求。在此背景下，超级电容器因为具有传统电容器和电池所不具有的优点而得到了广泛的关注。作为一种新型储能装置，超级电容不仅为能源存储提供了新的思路，更在实际应用中起到了二次电池无法取代的地位。
1．1 超级电容简介
超级电容器又称超大容量电容器、电化学电容器或双电层电容器[2]，属于普通电化学储能设备的范畴[3]，是一种介于电池电池和传统电容器之间的新型储能器件[4]。常见的几种电源性能对比如图1.1所示[5]。
图1.1 各种储能装置的比能量和比功率的关系
1957年，Becker首先提出了可以将较小的电容器用作储能元件的专利，该专利具有接近电池的比能量[6]。1968年，美国标准石油公司（SOHIO）的Boos提出了利用高比表面积碳材料制作双电层电容器的专利[7]，随后，该技术被转让给日本NEC公司，到80年代，日本NEC公司实现了产业化，推出了系列产品，并占据世界双电层电容器市场，从而引起了各国的广泛关注。
电化学电容器是电压存储、高功率电能存储设备。超级电容器不同于电池，在充放电时不发生化学反应，电能的储存或释放是通过静电场建立的物理过程来完成的，电极和电解液几乎不会老化，因此使用寿命长，并且可以实现快速充电和快速大电流放电。最重要的是，超级电容比传统电容储存电荷的能力高出近3~4个数量级。因此超级电容器可以像电池一样储存能量，并具有普通电容器充放电快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性能高等特点。超级电容器、静电电容器和电池的性能比较如表1.2所列[8]。 参数
放电时间/s 充电时间/s 比能量/(W·h·kg-1） 比功率/(W·kg-1) 循环效率/(%) 循环寿命/次
超级电容器 10-6~10-3 10-6~10-3 <0.1 >1000 ≈1.0 ∞
静电电容器 1~30 1~30 1~10
1000~2000 0.9~0.95 >100000
电池 18~180
3600~18000 20~100 50~200 0.7~0.85 500~2000
表1.2 超级电容器、静电电容器和电池的性能比较
1.2 超级电容器分类
根据不同的标准，超级电容器可分为不同种类，大致有如下几种分类方法： （1）按储能机理不同可分为双电层电容器、赝电容器和混合电容器。 双电层电容器是通过界面双电层储存电荷，赝电容器按法拉第赝电容的机理储存电荷，但各种实际电化学电容器的电容同时包含双电层电容和法拉第赝电容两个分量，只是在不同类型的电化学电容器中，这两种电容分量所占的比例不同而已；
（2）按所采用电极材料的不同可分为碳电极电容器、贵金属氧化物电极电容器和导电聚合物电容器。通常，用碳材料作电极时，主要是双电层电容，碳材料表面存在的官能基团只能产生少量的法拉第赝电容。因此一般认为碳电极电化学电容器是双电层电容器。金属氧化物、导电聚合物和其他材料电极电化学电容器的电容主要是法拉第赝电容，同时也有少量的双电层电容。因此一般认为它们是氧化还原电容器；
（3）按其正负极构成与电极上发生反应不同可分为①对称型电容器，两个电极的组成相同且电极反应相同，反应方向相反，如碳电极双电层电容器、贵金属氧化物电容器等；②非对称型电容器，两个电极的组成不同或反应不同，由n型和p型掺杂的导电聚合物作电极的电容器，能表现出更高的比能量和比功率；
（4）按所采用电介质的不同可分为水体系电介质电容器、有机体系电介质电容器、胶体电介质电容器和固体电介质电容器；
（5）按电容量的大小可分为小型（5F以下）、中型（5F~200F）和大型(200F以上)电容器。
1.3 超级电容器结构
目前，商业化生产的超级电容器种类很多，但大多数基于双电层结构。其基本结构主要由电极、电解液、隔膜、集流体和外壳组成，如图1.3.1，其中电极材料是超级电容器性能的最核心影响因素，外壳用于将超级电容器进行封装。
图1.3.1 超级电容器的基本结构
1.4 超级电容器原理
超级电容器通过电化学双电层电容和法拉第赝电容这两种储能机制来储存能量。
1.4.1 电化学双层电容（EDLC ）
双电层电容器是利用电极/电解液界面双电层来存储能量的。在库伦力、分子间力、原子间力等各种作用力的共同作用下，固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，由于界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，从而形成紧密的双电层，称为界面双层。双电层电容理论的第一个模型是由Helmholtz于1887年提出的，其原理图如图1.4.1所示，电极上的电位为φ0，由外部对该电容器充电时，一个电极的电位升高至φ0+φ1，而另一个电极的电位则降低至φ0-φ1，这样就储存了电荷。只要φ0+φ1的电位小于双电层的分解电压，便形成一个双电层电容器。在放电时，电子通过外电路上的负载从负极流到正极，使两电极上的电位恢复到φ0，而电解质中的正负离子则分别摆脱负极和正极表面的吸引，重新进入电解质内部[9]。
图1.4.1 双电层电容器原理图
（a）无外加电源 （b）有外加电源
1-双电层；2-电解液；3-电极；4-负载
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