贗電容

贗電容，也稱法拉第準電容，是在電極表面或體相中的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附，脫附或氧化，還原反應，產生和電極充電電位有關的電容。贗電容不僅在電極表面，而且可在整個電極內部產生，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積的情況下，贗電容可以是雙電層電容量的10～100倍。

基本介紹

• 中文名：贗電容
• 外文名：pseudocapacitance
• 單位：法拉（Farad，符號F）
• 學科：電化學

性質

贗電容是介於傳統電容器和電池之間的一種中間狀態，雖然電極活性物質因電子傳遞發生了法拉第反應，但其充放電行為更接近於電容器而非普通電池，因為其充放電行為存在以下特徵：

(1) 電容器的電壓隨儲存或釋放的電荷量近似線性地變化。

(2) 當電容器的電壓隨時間線性變化時，所觀察到的電流或電容接近於一個常數。

除此之外，贗電容最重要的一個特點是被吸附的離子不會與電極上的原子發生化學反應，而是發生電荷傳遞。溶液中的離子通過物理吸附的方式靠在電極表面，不產生也不斷裂化學鍵。這個過程是可逆且非常迅速的，電極材料不發生任何相變。

電極上雙層模型的示意圖。

在法拉第電容器中，同時存在著法拉第贗電容和雙電層電容兩種存儲機制。其中法拉第準電容占據絕對主導地位，其功率密度大小由活性物質表面或體相中電解液離子的傳輸速率和電荷轉移速率控制。在電極面積相同的情況下，法拉第準電容的比容量可以是雙電層電容比容量的10~100倍。

法拉第贗電容材料的比容量除了與電極材料的微觀結構（比表面積、孔隙率和孔徑分布等）有關外，還與電極活性物質的種類（元素組成）、晶體結構等因素息息相關。由於法拉第贗電容的充放電速度在一定程度上受到電解液離子在活性物質表面或體相中二維準二維空間上遷移速度的限制，因此法拉第贗電容器的倍率性能與電極材料的晶體結構具有非常密切的關係。

儲能機理

在平面石墨層之間嵌入金屬原子

贗電容從電化學的角度可以分為三個類型：（1）欠電位沉積；（2）氧化還原贗電容；（3）插層式贗電容。欠電位沉積是溶液中金屬離子在其氧化還原電位下，吸附在另一種金屬表面形成單層金屬層的過程。這一過程是發生在兩種不同金屬之間的，典型的例子就是利用欠電位沉積法在金電極表面沉積一層鉛。氧化還原贗電容是指溶液中的離子電化學吸附到活性物質表面或者近表面，然後與傳輸來的電子發生氧化還原反應，將電子/離子轉化為電荷儲存起來的過程。插層式贗電容是針對隧道狀或者層狀材料的一種新型的贗電容形式。溶液中的離子插層到材料的孔或者層間，進而與周圍的原子、傳輸過來的電子發生氧化還原反應。這種贗電容形式不同於鋰電池的插層，不會發生材料的相變。三種類型的贗電容雖然具體的物理化學過程不盡相同，但是其氧化還原反應過程中電荷轉移數量和反應電位的關係卻遵循著同一公式：

其中，E是電位（V），R是理想氣體常數（8.3 J/mol K），T是溫度（K），n是電子數，F是法拉第常數（96485 C/mol），X是一個比例係數，代表著表面或者內部孔道結構占據的比例。因此，可以推導出電容的計算方法：

其中m是活性物質的分子質量。從公式中可以看出，E與X並不是完全的線性關係，因此電容並不是一個常數，與物理學的電容不同，所以將其命名為“贗”電容。

套用

截至2017年，贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導電聚合物。其對金屬氧化物電極電化學電容器所用電極材料的研究，主要是一些過渡金屬氧化物， 如α-MnO_2·nH₂O、α-V₂O₅·nH₂O、α-RuO₂·nH₂O、IrO₂、NiO、H₃PMo₁₂O₄₀·nH₂O、WO₃、PbO₂、Co₃O₄、SrRuO₃等，另外還有發展金屬的氮化物y-M~N作電極材料。截至2017年，金屬氧化物基電容器中，研究最為成功的電極材料主要是氧化釕。但貴金屬的資源有限、價格過高等因素將限制對它的使用。對於金屬氧化物電容器的研究主要在於降低材料的成本，尋找較廉價的材料。