【导读】超级电容器通过电解质离子在电极/电解质界面上可逆的电化学作用来存储电荷。这种电化学行为已被广泛应用于电能到机械能的转换，该类器件被称为电化学驱动器（EC-actuator）。由于具有低变形电压、优异的变形能力、轻质和易加工等特点，电化学驱动器在机器人和人工智能领域引起了极大关注。MnO2作为最具代表性的氧化还原赝电容材料，在电化学驱动器上有明显的潜在应用。
中国科学院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室阎兴斌研究员课题组多年来致力于超级电容器电极材料制备、器件组装与储能机理的研究。最近，该团队制备了一种自支撑的MnO2/Ni双层电极薄膜材料。该电极在电化学充电放电过程中，展示出快速、大量和可逆的变形。
图1. (a)双层电极的电化学测试和变形观测示意图；(b)不同扫速下的比容量和最大弯曲角度对比；(c)两种扫速下的电化学驱动过程照片；(d)弯曲角度和驱动变形量的统计。
通过分析电极的电化学数据和变形过程，发现该双层薄膜的变形和MnO2的电荷储存过程有着密切的关系。使用原位原子力显微镜、原位拉曼光谱测试和第一性原理计算分析发现：在电化学扫描过程中，MnO2材料的本征氧化还原赝电容行为（Mn元素价态的可逆转换），伴随着电解液中Na+离子的嵌入脱出，导致了MnO2微米球的可逆膨胀与收缩。这种体积变化，与非活性并且没有变化的金属Ni层对抗，引起了自支撑的MnO2/Ni双层电极薄膜电极的可逆变形。这与有限元分析仿真得到的结果一致，表明了机理研究的准确性。
图2.自支撑双层电极电化学驱动的机理展示示意图和测试、表征数据概括。
该研究实现了氧化还原赝电容性的MnO2材料新的应用，并且系统梳理了电化学电容器和电化学驱动器两种电化学器件之间的内在联系。更重要的是，该项工作对未来开发更优异的电化学驱动器具有重要意义。该研究工作近期在线发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201806778）。工作得到了国家自然科学基金和兰州化物所“一三五”规划重点培育项目的资助和支持。
相关内容：超级电容器及其特性简介
超级电容器(supercapacitor,ultracapacitor)也有双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC)、黄金电容、法拉电容等多种叫法。超级电容器是一种电化学原理的电元件，并且它的储能方式是通过极化电解质来完成的。
虽然称为电化学元件，但实际上它在工作和储能过程中是没有发生化学反应的。由于超级电容器不像传统电池使用时单方面的放能，相反的它不仅能放能，储能的过程也是可逆的。所以正常的超级电容器一般都会充放电非常久（甚至数十万次）。超级电容器的原理我们可以理解为它是由两个无反应活性的悬浮在电解质中的多孔电极板组成的，当电流到达多极板时，正极板吸引负离子，而负极板吸引正离子。最终在他们之间形成了一个容性的存储层，从而达到储存电量的目的。
那么为什么超级电容器比普通的电容器(电池)拥有更大的容量和使用寿命呢?
超级电容器的理论基础是德国物理学家亥姆霍兹提出双电层理论。在某种意义上，超级电容器是一种全新型的电容器。有一些物理和化学基础的人都应该知道，当电解质溶液中插入金属电极时，它的表面会产生相反的过剩电荷。如果我们接下来继续施加一个小于电解质的电压，那么电解液中的正负离子都会往两极迅速移动，这样会在电极表面形成一层紧密的电荷层，这就是我们所说的双电层。
它所形成的这种双电层和传统的中产生的极化电荷性质是相似的，所以也能够产生电容效应。并且和传统电容器不同的是，由于超级电容器的电荷层比传统的更加紧密，所以它能够存储的电量也更多，自然容量就大了。
我们所见的超级电容器大都长的和电池很相似，这是因为超级电容器和电池都有着一定的共性：电层的内阻比较大，无电阻的情况下都能够进行充电。但是超级电容器对传统电池也有着很大的先进性：超级电容器可以进行不限流充电，并且次数能达到10的6次方甚至更多，所以超级电容器不但有电容的特性，还有电池的特性。说它是“充放一体”电池是很形象的。
超级电容器作为目前很新型的储能装置，它的充电时间短、使用寿命长、温度调节情况好、绿色环保等优点注定了它在将来会有着大量的应用。在传统的化石能源短缺的现在，许多国家都已经开始在超级电容器这一新兴产业下了大工夫。
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