基于TRIZ理论对超级电容的研究

　　摘要：能源一直是人类生存和发展中必不可少的基础，在世界各国的国民经济发展中都扮演着重要的角色。而电源作为其中重要的成员，被广泛的应用于各种领域，如航空航天高新技术、军事领域以及关系到国民经济发展的复杂系统中。伴随着目前经济的发展，能源危机、环境污染的问题凸显，为了缓解和解决这一问题。寻找高效能、低污染的新能源成为世界性的课题。超级电容以一种高容量、高功率密度、高可靠性的三高能源进入人们的视线。超级电容或与其他形式的能源结合作为备用电源或者是应急电源，或者单独使用充当峰值功率电源都被广泛应用。目前对超级电容电池储能器件的研究逐渐成为热点，笔者对现在应用较广泛的碳级电容用TRIZ理论进行分析。

　　关键词：能源；碳电极超级电容；研究分析

　　1 碳电极超级电容

　　超级电容所应用的电极材料一般为碳电极材料，碳材料的研究要追溯到二十世纪五十年代Beck发表有关碳材料的研究成果，距今已经有六十多年的发展历史，由于它的来源丰富，品种繁多，以及良好的导电性、抗腐蚀性、密度小等优点被大量用于电极材料的研究，目前有很多已经成功转型为工业化的产品。常用的炭材料来源有：活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、有机物的碳化物等类型研究的比较多，其中碳纳米管类的中孔、微孔炭材料是目前研究比较热门的新型炭材料。

　　众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两电极的表面上形成紧密的电荷层，即双电层它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是由于紧密的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器更大的容量。

　　根据双层理论的描述，炭材料存储能量主要是依靠储存在电极/电解液界面的双电子层，它的实际比电容和电极材料的导电性、比面积、润湿性、孔隙率分布、活化温度等因素有关，除了这些影响因素之外还与电极所处的电解质环境有关。由于影响因素太多，这导致了应用碳材料的超级电容有内阻较大，导电性较差，并且比容量相对较低等缺点。

　　2 TRIZ原理对超级电容的改进

　　TRIZ是“发明问题解决理论（Theory of Inventive Problem Solving）”的俄文单词的缩写，它已经是具有普遍适用性的一套可以发现问题并能找到解决方案的发明理论[8]。以技术系统进化法则作为理论基础，把技术系统和技术过程、存在于技术系统和技术过程中的矛盾、解决矛盾所需的资源、最终理想化解决问题的方向为四大基本概念，包含了解决工程和其他复杂问题所需的一系列分析和算法。

　　利用TRIZ理论进行不断创新设计，主要就是发现并不断解决技术系统中在优化设计过程中存在的矛盾问题。技术系统的不断进化就是对在不断解决矛盾问题的过程中实现的。

　　根据以上文章中提到我们认为以碳作为电极的超级电容主要存在能量损耗的问题（因为碳电极内阻较大）我们对该参数进行改良时发现可能恶化的参数是速度，我们用TRIZ原理中的阿奇舒勒矛盾矩阵表解决该问题，其过程如下；改善的参数为能量损耗，恶化的参数为速度。由矛盾矩阵表查到发明原理为：

　　（16）未达到或过度作用。如果期望难以100%的实现时，则应部分达到或超越理想效果，大大简化问题。（35）相变。改变物体的物理状态或者改变浓度、密度、灵活度、温度、体积。（38）加速氧化原理。加速物质的氧化速度。

　　根据以上几个发明原理我们改良后的电极应有以下几个特点：（1）电阻小；（2）状态可变性大；（3）易被氧化还原。

　　根据以上所得出的改进参数结合焦点客体法（焦点客体法：为了克服与研究客体有关的心理惯性，将研究客体与各种偶然客体建立联想关系。）

　　笔者查阅相关文献发现自从二十世纪七十年代科学发现聚乙炔的导电性以来，导电高分子聚合物也称为导电塑料的研究进入到了一个白热化的时代。Macdiarmid 等对聚苯胺做了较为系统的研究。相对于其它共轭高分子而言，聚苯胺原料易得、合成简单、具有较高的导电性和潜在的溶液、熔融加工可能性，同时还有良好的环境稳定性，作为导电聚合物材料的明显代表，聚苯胺由于它的易于聚合、易掺杂、低密度、低成本、高电容的优越性能多应用于超级电容器中的电极材料。理论上讲掺杂度在 0.5 的聚苯胺的最大工作电压为 0.7V，在此条件下它的理论比电容为 750F/g，在同类型的有机聚合物的研究中算是最高的。

　　3 结束语

　　通过TRIZ理论的数据分析，我们得出应用聚苯胺作为电极材料的超级电容可能会有广阔的市场前景。

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