电化学超级电容器：科学原理及技术应用

　　第１章导论及历史回顾1
　　11历史概述1
　　12本书范围7
　　参考文献8
　　第２章超大容量电容器和电池存贮电能的相似和差异9
　　21引言9
　　211能量存贮系统9
　　212电容器和电池的贮能模式9
　　22法拉第与非法拉第过程11
　　221非法拉第模式12
　　222法拉第模式12
　　23电容器和电池类型13
　　231可识别系统13
　　232电池设计和等效电路15
　　24电容器和电池存贮电荷密度的差异16
　　241单原子或单分子电子密度16
　　242电化学电容器和电池容许能量密度的比较17
　　25电容器和电池充电曲线的比较18
　　26通过循环伏安曲线评价与比较电化学电容器和电池单元的充
　　放电状态20
　　27Li插入式电极——过渡特性23
　　28非理想极化电容器电极的充电过程25
　　29电化学电容器和电池特性比较概述26
　　参考文献28
　　一般参考读物28
　　第3章电极过程热力学和动力学基础29
　　31引言29
　　32电极过程热力学30
　　33与电极电势相关的能量因素33
　　34金属电极上电极反应的动力学37
　　341电流和速率方程37
　　342平衡状态附近（低过电位η）ButlerVolmer公式的线性化40
　　35交换电流密度i0的图形化描述及平衡态附近的行为41
　　36电极动力学中扩散控制的产生43
　　37初始电子转移后续步骤速率控制的动力学44
　　38电极动力学中的双电层效应45
　　39电极电容行为的电学响应表征47
　　310电容器性能的电化学表征所需的仪器和电解池52
　　3101电解池与参比电极52
　　3102仪器54
　　3103双电极装置的测试56
　　参考文献57
　　一般参考读物57
　　第4章电容器电极相界离子与双电层研究中的静电学原理59
　　41引言59
　　42静电学基础60
　　421库仑规律：电势和电场，介电常数的重要意义60
　　43作用力线和电场强度——定理64
　　44电容器的电容65
　　45电荷表面形成的电场：高斯关系65
　　46泊松方程：三维介质中的电荷66
　　47电荷的能量67
　　48电场中电介质的电压68
　　49分子水平的电极化响应69
　　491电场中的原子和分子：电子极化69
　　492永久偶极子与电场的相互作用70
　　410电场中的原子和分子：介电特性和介电极化71
　　4101电介质71
　　4102双电层中的溶剂分子极化和离子电场72
　　4103复杂分子的偶极矩72
　　411电介质中的电极化作用73
　　412电容器中存贮的能量和熵73
　　参考文献76
　　一般参考读物76
　　第5章电容器的介电特性及电介质极化理论77
　　51引言77
　　52电容的定义及与电介质介电常数的关系78
　　53电场中电介质的极化强度80
　　54经典的电介质静电理论82
　　55诱导变形极化导致的介电性质87
　　56简单凝聚相电介质的极化87
　　57无互作用的可定向偶极电介质的极化88
　　58强相互作用的偶极电介质（高介电常数溶剂）的极化89
　　59双电层中溶剂的介电特性91
　　参考文献93
　　第6章电容器电极界面双电层的结构与双电层电容95
　　61引言95
　　62双电层的模型与结构97
　　63双电层中电荷的二维密度103
　　64双电层溶液侧的离子电荷密度和离子间距离104
　　65电子密度的变化：“Jellium”模型105
　　66越过双电层的电场107
　　67双电层电容和理想可极化电极109
　　68双电层电学特性的等效电路表示方法111
　　参考文献112
　　第7章电极界面双电层理论论述及模型114
　　71早期模型114
　　72扩展层分析115
　　73双电层扩散部分电容量118
　　74离子吸附及紧密层或Helmholtz层分析121
　　741Stern分析121
　　742阴离子吸附的准化学观点124
　　75双电层电容器电解质的溶剂124
　　751概述124
　　752构成双电层界面的溶剂类型125
　　753双电层界面的介电常数126
　　754双电层中溶剂水的静电极化127
　　755在充电界面溶剂偶极子取向的分子级分析129
　　756H键晶格模型136
　　757由于化学吸附在电极表面水的自发取向138
　　758在固态金属上溶剂吸附电容量138
　　759近代模型计算140
　　76金属电子对双电层电容量的贡献143
　　761金属贡献的起源143
　　762电极表面电子密度的分布145
　　77越过扩散层的电位曲线147
　　78多孔电容器电极孔中的双电层148
　　参考文献152
　　一般参考读物154
　　第８章非水电解质和非水电解质电容器的双电层特性155
　　81引言155
　　82非水溶剂介质中双电层电容特性的基本状况156
　　83几种非水溶液中双电层电容器性能的比较161
　　84展望164
　　参考文献165
　　第９章碳双电层和表面官能度166
　　91前言166
　　911历史回顾166
　　912用于电化学电容器的碳材料168
　　92碳材料的表面性质和官能度169
　　93碳材料双电层电容175
　　94碳的氧化177
　　95碳与金属双电层电容效应的表面特征179
　　96石墨边缘和基晶面处的双电层电容180
　　97正常状态双电层电容器材料科学研究状况183
　　971电容器用碳材料的热处理和化学处理183
　　972电化学电容器用碳材料的研究要求187
　　973在碳表面自由官能团上电子的自旋谐振特性188
　　98氧与碳表面的相互作用192
　　99碳表面的电子功函数和表面势193
　　910嵌入效应195
　　参考文献197
　　一般参考读物199
　　第10章基于赝电容的电化学电容器200
　　101赝电容的起源200
　　102赝电容（C）的理论分析203
　　1021分析类型203
　　1022赝电容的等温电吸附分析：热力学方法203
　　103赝电容的动力学理论214
　　1031电压随时间线性变化的电极动力学214
　　1032特征峰电流和峰电位的计算218
　　1033可逆性与不可逆性间的转变220
　　1034直流充放电条件下的相关行为224
　　104有效赝电容的电位范围225
　　105氧化还原赝电容和嵌入赝电容的起因227
　　106与阴离子选择吸附相关的赝电容效应和局部电荷迁移现象232
　　107高比表面积碳材料的赝电容行为233
　　108双电层电容（Cdl）与赝电容（C）的区分233
　　参考文献234
　　一般参考读物235
　　第11章电化学电容器材料氧化钌（RuO2）的电化学
　　性能236
　　111历史回顾236
　　112导言241
　　113具有电容性质的RuO2膜的形成241
　　114电化学形成 RuO2从单层到多层的转变243
　　115电化学和热化学方法制备的电容器用RuO2的化学组成和
　　化学态247
　　116RuO2的充放电机理253
　　117RuO2和 IrO2电极伏安过程所涉及的氧化态254
　　1171氧化态和氧化还原机制254
　　1172RuO2膜表面区域内外的充电过程257
　　118关于RuO2电容器材料的充电机制的一些结论260
　　119充电和放电时电极材料的质量变化261
　　1110RuO2电化学电容器电极的dc和ac响应特性263
　　1111其他氧化物膜的氧化还原赝电容特性264
　　1112RuO2TiO2薄膜的表面分析和结构268
　　1113RuO2TiO2复合电极的阻抗特性270
　　1114IrO2的应用和特性271
　　1115过渡金属电极上的氧化物薄膜性能的比较271
　　参考文献273
　　一般参考读物275
　　第12章电化学活性聚合物导电膜的电容特性276
　　121引言及电化学特性概述276
　　122聚合过程的化学原理281
　　123赝电容特性概述290
　　124导电聚合物循环伏安曲线的形成291
　　125基于导电聚合活性材料电容系统的分类296
　　126应用其他方法的补充研究299
　　127导电聚合物薄膜生长及氧化/还原赝电容特性的椭圆测量研究303
　　128导电聚合物电容器的其他发展状况307
　　参考文献308
　　一般参考读物310
　　第13章超级电容器电解质的设计和性能：电导率、离子
　　对和溶解作用311
　　131引言311
　　132决定电解质溶液电导的因素312
　　133电解质电导和离解313
　　134自由（离解）离子迁移率319
　　135溶剂介电常数及溶剂的施予性对离解和离子对的作用320
　　136良好的电解质溶剂系统322
　　1361含水电解质322
　　1362无水电解质323
　　1363熔融电解质326
　　137无水电化学电容器电解质溶液和溶剂的性质327
　　138孔电极超级电容器电解质电导率与电化学有效面积及
　　功率特性的关系336
　　139充电时阴、阳离子的析出及其对电解质本身电导率的影响337
　　1310离子溶解因子338
　　1311溶液性质的复杂性341
　　1312附录：有关无水溶剂和其混合物中电解质溶液性质的
　　实验数据选录343
　　13121总表343
　　13122从文献中列出的一些有代表性数据曲线343
　　13123选用表格347
　　13124电导率348
　　参考文献348
　　一般参考读物350
　　第14章多孔电极的电化学特性及其在电容器中的应用351
　　141引言351
　　142RC网络的充电和频率响应353
　　143多孔电极电化学特性概论356
　　1431体系要求356
　　1432de Levie模型及其讨论357
　　1433多孔电极中双电层的结构374
　　144多孔电极界面的分形表面376
　　145微粒表面和内部的原子密度377
　　146孔尺寸及其分布379
　　147实际面积和双电层电容382
　　148多孔电极中的电渗透效应385
　　参考文献385
　　第15章电能贮存器件的能量密度和功率密度387
　　151功率密度对能量密度的Ragone图387
　　152能量密度、功率密度及其相互关系391
　　1521一般讨论391
　　1522功率密度395
　　1523与能量密度的关系397
　　1524电容器功率密度和能量密度的关系403
　　1525电容器功率密度额定值406
　　153浓度极化的功率限制410
　　154C速率规范和功率密度的关系412
　　1541规范定义412
　　1542电池和电容器放电时C速率的重要性414
　　155能量密度和功率密度最佳比417
　　1551电容电池混合系统417
　　1552最大功率传送条件420
　　1553测试方法424
　　1554电容器的恒定功率放电方式425
　　1555温度的影响429
　　156充电电容器所保持的能量中的熵分量429
　　157电解电容器的能量密度431
　　158功率密度因子的某些应用情况434
　　159飞轮系统的能量贮存440
　　参考文献441
　　第１６章电化学电容器及其他电化学系统的交流阻抗特性444
　　161引言444
　　162有关阻抗特性的基本指导性原理450
　　1621交流电流和电压的关系450
　　1622交流研究中的均方根电流和平均电流453
　　163Z″对Z′的复平面图在全频范围内呈半圆形的由来454
　　1631作为频率函数的阻抗关系454
　　1632时间常数与特征频率ωr458
　　164RC时间常数的意义459
　　1641瞬态电流和电压459
　　1642RC作为时间常数的意义463
　　165测量技术463
　　1651交流电桥464
　　1652李萨如（Lissajous）图形464
　　1653使用锁相放大器的相敏检测465
　　1654数字式频率响应分析仪（Solartron型等）465
　　166电化学系统阻抗特性的动力学和机械学的近似处理467
　　1661扩散控制的过程及作用467
　　1662动力学分析方法原理470
　　1663阴极H2析出反应的交流特性动力学分析实例470
　　1664线性扫描调制及循环伏安特性测量法472
　　1665赝电容的阻抗特性477
　　参考文献482
　　第17章双电层电容器频率响应的各种电路及模型的阻
　　抗特性分析483
　　171等效电路介绍及其类型483
　　172等效串联电阻485
　　1721等效串联电阻（esr）的含义485
　　1722esr造成的商用电容器的阻抗极限487
　　173优选等效电路模型的阻抗特性489
　　174具有ｅｓｒ的电容器对负载电阻RL放电495
　　175采用多元RC等效电路对多孔电极频率响应的模拟502
　　176氧化还原赝电容的阻抗特性504
　　177多孔电极电化学509
　　参考文献509
　　第１８章与电池自放电相关的电化学电容器自放电511
　　181引言511
　　182实际自放电现象511
　　183自放电机理513
　　184自放电测量研究515
　　185活化控制法拉第过程的自放电516
　　186自放电中电位衰减斜率参数520
　　187与常规电容器经欧姆泄漏电阻放电的比较521
　　188扩散控制情况下的自放电522
　　189非理想极化电极的充电525
　　1810双电层超电容器件的自放电526
　　1811在非均匀充电多孔电极中电荷随时间的再分布527
　　1812自放电温度效应530
　　1813赝电容的自放电531
　　1814碳电容器和碳纤维电极自放电实验测量举例534
　　18141引言534
　　18142电位衰减（自放电）及通过感应过程恢复535
　　18143商用电容器的自放电特性536
　　1815RuO2电极自放电及电位恢复特性538
　　18151背景材料538
　　18152电位衰减（自放电）及与充放电曲线相关的恢复539
　　18153电位恢复模型541
　　18154自放电后RuO2的准可逆电势543
　　1816叠层电容器的自放电545
　　参考文献545
　　第19章电化学电容器制备和性能评价实践547
　　191引言547
　　192进行材料测试的小型含水性碳基电容器电极的制备547
　　193RuOx电容器电极的制备549
　　194聚合物电解质膜RuOx电容器的制备549
　　195 电容器组装550
　　196电化学电容器的实验评价551
　　1961 循环伏安法551
　　1962 阻抗测量552
　　1963恒流充放电552
　　1964 恒压充放电553
　　1965恒功率充放电553
　　1966漏电流和自放电行为554
　　197其他测试过程554
　　参考文献555
　　第20章技术发展556
　　201引言556
　　202电化学电容器的技术发展557
　　2021电容器分类557
　　203设备及技术发展简介558
　　204材料需求560
　　2041电极560
　　2042碳电极材料561
　　2043碳颗粒及纤维的活化过程563
　　2044氧化物、氧化／还原赝电容系统564
　　2045导电聚合物电极564
　　2046电解质系统565
　　2047实用设计566
　　2048电容器组合566
　　2049双电极设置568
　　20410电容器中的电流分布569
　　20411大规模因素570
　　205工艺条件572
　　2051电极进展572
　　2052氧化钌材料577
　　2053其他具体装置578
　　206自放电：唯象学观点582
　　207热处理584
　　208其他影响电容器特性的变量585
　　2081电容量和电容器特性的温度关系585
　　2082恒流和恒压充电模式对比589
　　2083对充、放电速率的影响590
　　209使用电化学电容器时对安全和健康的危害590
　　2010近年来使用材料的进展592
　　2011使用基础595
　　2012商业发展和测试599
　　2013用于电动车驱动系统中的混合电容器电池装置603
　　2014市场前景606
　　20141电容器市场中的电化学电容器606
　　20142市场状况及前景607
　　2015基于专利文献的技术概述608
　　2016用高压静电电容器贮存能量608
　　2017结论611
　　2018信息来源附录612
　　参考文献613
　　一般参考读物615
　　第21章专利概览616

　　电化学超级电容器是介于传统静电电容器与电池之间的全新的能量贮存器件，由于其容量密度极大，从而适合工作于要求瞬间释放超大电流的场合。
　　本书给出了这种电容器系统及其应用技术的综合描述。其中包括背景科学的基本细节，以及电极动力学和界面电化学的基本概念、电极化理论、多孔电极以及用以提高比率容量的导电聚合物。这样，了解和学习本书提出的资料，将不需要频繁地去参考其他物理化学或电化学的教科书。
　　本书收集资料广泛，内容新颖，并纳入了作者本人多年来的实验成果。对从事电化学及能源领域研究与应用的技术人员具有较强的参考价值。