伪电容

赝电容是电化学电容器（Pseudocapacitor）中电的电化学存储。这种法拉第电荷转移源自于合适电极表面上一系列非常快速的可逆法拉第氧化还原、电吸附或嵌入过程。赝电容伴随着电解质和电极之间来自去溶剂化和吸附离子的电子电荷转移。每个电荷单位涉及一个电子。吸附的离子与电极原子不发生化学反应（不产生化学键），因为只发生电荷转移。法拉第赝电容仅与静态双层电容一起出现。赝电容和双层电容对总电容值的贡献不可分割。赝电容的大小取决于电极的表面积、材料和结构。对于相同的表面积，赝电容可能比双层电容贡献更多的电容100倍。存储在赝电容中的电荷量与施加的电压成线性比例。赝电容的单位是法拉。

• 双层和赝电容模型的开发参见双层（界面）
• 电化学元件的开发参见超级电容器

几十年前，在电解质和电极表面之间具有法拉第电荷转移的电池中的氧化还原反应已被表征。这些化学过程与电极材料的化学反应相关，通常伴随相变。尽管这些化学过程相对可逆，但电池充电/放电循环通常不可逆地产生试剂的不可逆化学反应产物。因此，可充电电池的循环寿命通常是有限的。此外，反应产物降低了功率密度。此外，化学过程相对较慢，延长了充电/放电时间。

电池和电化学电容器（超级电容器）中的氧化还原反应之间的根本区别在于，在后者中，反应是具有电子转移的非常快速的可逆过程序列，而电极分子没有任何相变。它们不涉及制造或破坏化学键。产生赝电容的去溶剂化原子或离子简单地附着在电极的原子结构上，电荷通过物理吸附过程分布在表面上。与电池相比，超级电容器法拉第过程随着时间的推移更快、更稳定，因为它们只留下微量的反应产物。尽管这些产品的数量减少，但它们会导致电容退化。这种行为是赝电容的本质。与具有几乎与电荷无关的行为的电池相比，赝电容过程导致电荷依赖的线性电容行为，以及非法拉第双层电容的实现。赝电容的大小取决于电极的表面积、材料和结构。赝电容可能超过相同表面积的双层电容值100倍。

在电容器端子处施加电压会使电解液中的极化离子或带电原子移动到相反的极化电极。在电极表面和相邻电解质之间形成双电层。电极表面上的一层离子和电解质中相邻的第二层极化和溶剂化离子移动到相反极化的电极。两个离子层被单层电解质分子隔开。在两层之间，会形成一个静电场，从而产生双层电容。伴随着双电层，一些去溶剂化的电解质离子遍布分离溶剂层并被电极表面原子吸附。它们被专门吸附并将其电荷传递到电极。换句话说，亥姆霍兹双层内电解质中的离子也充当电子供体并将电子转移到电极原子，从而产生法拉第电流。这种由电解质和电极表面之间的快速可逆氧化还原反应、电吸附或嵌入过程产生的法拉第电荷转移称为赝电容。根据电极的结构或表面材料，赝电容可以在特定吸附的离子遍布双层时产生，在几个单电子阶段进行。参与法拉第过程的电子被转移到电极的价电子态（轨道）或从电极转移出来，并通过外部电路流向对面的电极，在那里形成具有相等数量的相反电荷离子的第二个双层。电子保留在强电离和电极表面的电子饥饿过渡金属离子中，不会转移到吸附的离子上。这种赝电容在很窄的范围内具有线性函数，并且由吸附阴离子的表面覆盖的电位依赖性程度决定。产生赝电容的系统：

• 氧化还原系统：Ox+ze‾⇌Red
• 插层体系：Li+inMa2
• 金属吸附原子或H的电吸附、欠电位沉积：M++ze‾+S⇌SM或H++e‾+S⇌SH（S=表面晶格位点）

所有三种类型的电化学过程都出现在超级电容器中。当赝电容放电时，电荷转移发生逆转，离子或原子离开双层并扩散到整个电解质中。

电极产生赝电容的能力很大程度上取决于电极材料对吸附在电极表面的离子的化学亲和力以及电极孔结构和尺寸。用作赝电容器电极的表现出氧化还原行为的材料是通过掺杂在导电电极材料（例如活性炭）中的过渡金属氧化物，以及覆盖电极材料的导电聚合物（例如聚苯胺或聚噻吩衍生物）。

这些材料提供高赝电容，康威对其进行了深入研究。许多过渡金属氧化物如钌(RuO2)、铱(IrO2)、铁(Fe3O4)、锰(MnO2)或硫化物如硫化钛(TiS2)或其组合会产生低导电电阻的法拉第电子转移反应。二氧化钌(RuO2)与硫酸(H2SO4)电解液的结合提供了赝电容的最佳示例之一，每个电极的充电/放电窗口约为1.2V。此外，这些过渡金属电极的可逆性非常好，循环寿命超过几十万次。赝电容源于耦合的、可逆的氧化还原反应，其中包含几个具有重叠电位的氧化步骤。电子主要来自电极的价轨道。电子转移反应非常快并且可以伴随高电流。在充电和放电过程中，H+（质子）被掺入或从RuO2晶格中去除，从而产生电能存储而无需化学转化。OH基团作为分子层沉积在电极表面上并保留在亥姆霍兹层区域中。由于氧化还原反应的可测量电压与充电状态成正比，因此该反应的行为类似于电容器而不是电池，其电压在很大程度上与充电状态无关。

另一种具有大量赝电容的材料是电子导电聚合物。与过渡金属氧化物相比，聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯和聚乙炔等导电聚合物在涉及法拉第电荷转移的氧化还原过程中具有较低的可逆性，并且在循环过程中的稳定性有限。这样的电极使用阴离子和阳离子对聚合物的电化学掺杂或去掺杂。使用an/p型聚合物配置，一个带负电（n掺杂）和一个带正电（p掺杂）电极，实现了最高的电容和功率密度。

赝电容可能源于电极结构，尤其是材料孔径。使用碳化物衍生碳(CDC)或碳纳米管(CNT)作为电极提供了由纳米管缠结形成的小孔网络。这些纳米多孔材料的直径范围小于2nm，可称为插层孔。电解液中的溶剂化离子无法进入这些小孔，但减小了离子尺寸的去溶剂化离子能够进入，从而导致更大的离子堆积密度和增加的电荷存储。纳米结构碳电极中定制尺寸的孔可以xxx限度地限制离子，通过法拉第H2吸附处理增加比电容。

赝电容特性可以用循环伏安图表示。对于理想的双层电容器，电流在反转电位后立即反转，产生矩形伏安图，电流与电极电位无关。对于具有电阻损耗的双层电容器，形状变为平行四边形。在法拉第电极中，存储在电容器中的电荷强烈依赖于电势，因此，伏安特性由于反转电势时的延迟而偏离平行四边形，最终来自动能充电过程。

赝电容是超级电容器的一个重要特性。

• 赫克托·D·阿布鲁尼亚；木屋康之；JayC.Henderson(2008)，电池和电化学电容器(PDF)，《今日物理学》，第1期。12，第43-47页
• 贝甘，弗朗索瓦；雷蒙多-皮涅罗，E.；Frackowiak，Elzbieta（2009年11月18日）。8电气双层电容器和赝电容器。用于电化学能量存储和转换系统的碳。CRC出版社。第329-375页。doi:10.1201/9781420055405-c8。国际标准书号978-1-4200-5540-5。
• 穆勒，克劳斯；Bockris,J.O'M.；德瓦纳坦，MAV(1965)。关于带电界面的结构。伦敦皇家学会会刊。A系列，数学和物理科学。274（1356）：55-79。doi:10.1098/rspa.1963.0114。
• BECon​​way(1999)，电化学超级电容器：科学基础和技术应用（德语），柏林：Springer，ISBN978-0306457364
• 莱特纳，千瓦；冬天，M。Besenhard,JO（2003年12月）。复合超级电容器电极。固态电化学杂志。8（1）：15-16。doi:10.1007/s10008-003-0412-x。ISSN1432-8488。
• YuM.，沃尔夫科维奇；Serdyuk，TM（2002年9月）。电化学电容器。俄罗斯电化学杂志。三十八（9）：935-959。doi:10.1023/A:1020220425954。ISSN1608-3342。
• AipingYu;AaronDavies;ZhongweiChen(2011).8-ElectrochemicalSupercapacitors.InJiujunZhang;LeiZhang;HansanLiu;AndySun;Ru-ShiLiu(eds.).ElectrochemicalTechnologiesforEnergyStorageandConversion,Band1.Weinheim:Wiley-VCH.pp.317–376.ISBN978-3-527-32869-7.