基于TRIZ理論對超級電容的研究*

摘 要：能源一直是人類生存和發展中必不可少的基礎，在世界各國的國民經濟發展中都扮演著重要的角色。而電源作為其中重要的成員，被廣泛的應用于各種領域，如航空航天高新技術、軍事領域以及關系到國民經濟發展的復雜系統中。伴隨著目前經濟的發展，能源危機、環境污染的問題凸顯，為了緩解和解決這一問題。尋找高效能、低污染的新能源成為世界性的課題。超級電容以一種高容量、高功率密度、高可靠性的三高能源進入人們的視線。超級電容或與其他形式的能源結合作為備用電源或者是應急電源，或者單獨使用充當峰值功率電源都被廣泛應用。目前對超級電容電池儲能器件的研究逐漸成為熱點，筆者對現在應用較廣泛的碳級電容用TRIZ理論進行分析。

關鍵詞：能源；碳電極超級電容；研究分析

1 碳電極超級電容

超級電容所應用的電極材料一般為碳電極材料，碳材料的研究要追溯到二十世紀五十年代Beck發表有關碳材料的研究成果，距今已經有六十多年的發展歷史，由于它的來源豐富，品種繁多，以及良好的導電性、抗腐蝕性、密度小等優點被大量用于電極材料的研究，目前有很多已經成功轉型為工業化的產品。常用的炭材料來源有：活性炭、炭氣凝膠、碳納米管、石墨烯、碳纖維、有機物的碳化物等類型研究的比較多，其中碳納米管類的中孔、微孔炭材料是目前研究比較熱門的新型炭材料。

眾所周知，插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷，從而使相間產生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩電極的表面上形成緊密的電荷層，即雙電層它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似，從而產生電容效應，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比普通電容器更大的容量。

根據雙層理論的描述，炭材料存儲能量主要是依靠儲存在電極/電解液界面的雙電子層，它的實際比電容和電極材料的導電性、比面積、潤濕性、孔隙率分布、活化溫度等因素有關，除了這些影響因素之外還與電極所處的電解質環境有關。由于影響因素太多，這導致了應用碳材料的超級電容有內阻較大，導電性較差，并且比容量相對較低等缺點。

2 TRIZ原理對超級電容的改進

TRIZ是“發明問題解決理論（Theory of Inventive Problem Solving）”的俄文單詞的縮寫，它已經是具有普遍適用性的一套可以發現問題并能找到解決方案的發明理論[8]。以技術系統進化法則作為理論基礎，把技術系統和技術過程、存在于技術系統和技術過程中的矛盾、解決矛盾所需的資源、最終理想化解決問題的方向為四大基本概念，包含了解決工程和其他復雜問題所需的一系列分析和算法。

利用TRIZ理論進行不斷創新設計，主要就是發現并不斷解決技術系統中在優化設計過程中存在的矛盾問題。技術系統的不斷進化就是對在不斷解決矛盾問題的過程中實現的。

根據以上文章中提到我們認為以碳作為電極的超級電容主要存在能量損耗的問題（因為碳電極內阻較大）我們對該參數進行改良時發現可能惡化的參數是速度，我們用TRIZ原理中的阿奇舒勒矛盾矩陣表解決該問題，其過程如下；改善的參數為能量損耗，惡化的參數為速度。由矛盾矩陣表查到發明原理為：

（16）未達到或過度作用。如果期望難以100%的實現時，則應部分達到或超越理想效果，大大簡化問題。（35）相變。改變物體的物理狀態或者改變濃度、密度、靈活度、溫度、體積。（38）加速氧化原理。加速物質的氧化速度。

根據以上幾個發明原理我們改良后的電極應有以下幾個特點：（1）電阻小； （2）狀態可變性大；（3）易被氧化還原。

根據以上所得出的改進參數結合焦點客體法（焦點客體法：為了克服與研究客體有關的心理慣性，將研究客體與各種偶然客體建立聯想關系。）

筆者查閱相關文獻發現自從二十世紀七十年代科學發現聚乙炔的導電性以來，導電高分子聚合物也稱為導電塑料的研究進入到了一個白熱化的時代。Macdiarmid 等對聚苯胺做了較為系統的研究。相對于其它共軛高分子而言，聚苯胺原料易得、合成簡單、具有較高的導電性和潛在的溶液、熔融加工可能性，同時還有良好的環境穩定性，作為導電聚合物材料的明顯代表，聚苯胺由于它的易于聚合、易摻雜、低密度、低成本、高電容的優越性能多應用于超級電容器中的電極材料。理論上講摻雜度在 0.5 的聚苯胺的最大工作電壓為 0.7V，在此條件下它的理論比電容為 750F/g，在同類型的有機聚合物的研究中算是最高的。

3 結束語

通過TRIZ理論的數據分析，我們得出應用聚苯胺作為電極材料的超級電容可能會有廣闊的市場前景。

作者簡介：蓋紅輝（1976-）女，漢族，遼寧營口人，講師，碩士研究生，從事化學教學工作，從事基礎化學的研究工作。