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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

2.7　Li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io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

7.4.1　Stern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

7.5.6　H-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（Cφ）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（Cφ）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

11.6　RuO2的充放电机理253

11.7　RuO2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

11.7.2　RuO2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

11.10　RuO2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

11.12　RuO2-TiO2薄膜的表面分析和结构268

11.13　RuO2-TiO2复合电极的阻抗特性270

11.14　IrO2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

14.2　RC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

14.3.2　de 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

15.4　C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

16.3　Z″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

16.4　RC时间常数的意义459

16.4.1　瞬态电流和电压459

16.4.2　RC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

17.2.2　esr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

18.15　RuO2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

19.3 RuOx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