碳電極電容器主要是利用儲(chǔ)存在電極／電解液界面的雙電層的能量，碳材料的比表面積是決定電容器容量的重要因素。因此首先要求碳電極材料的比表面積要大。理論上講，比表面積越大，其容量也越大。我國(guó)目前生產(chǎn)的活性炭不是專門為超級(jí)電容器電極設(shè)計(jì)開發(fā)的，比表面積較低，一般在1000m2/g以，不適合超級(jí)電容器的應(yīng)用。但比表面積大，通常只會(huì)提高質(zhì)量比容量，而更重要的體積比容量會(huì)降低，而且材料導(dǎo)電性也差。除了比表面積之外，孔徑分布、表面官能團(tuán)、表觀密度等對(duì)電容器性能也有極大的影響。
  1)比表面積與孔徑分布
  由于炭材料的儲(chǔ)能原理是在電極電解液界面產(chǎn)生雙電層，按照平板雙電層理論，雙電層電容與形成的雙電層的面積成正比，比表面積越大，比電容越大。但是大量的實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明，大多數(shù)炭材料的比電容并不總是隨其比表面積的增大而線性增大，如在清潔的石墨表面雙電層比容量約為20u F／CM。，用比表面積為920m2／g的活性炭作電極，理論容量應(yīng)該為184F／g，然而實(shí)測(cè)的比容量?jī)H為80F/g，說明其比表面積并未被全部利用。同時(shí)，比表面積越大，必將導(dǎo)致顆粒過細(xì)，比電阻增大。
    碳基超級(jí)電容器中，電解質(zhì)要被吸附到電極材料的孔隙中，由于電解質(zhì)離子本身具有一定的尺寸，不同的電解質(zhì)所要求的電極材料的孔隙大小是不一樣的。根據(jù)IUPAC(國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì))的定義，多孔碳材料中按孔的大小可分為微孔(<2nm)，中孔(2--50nm)，大孔(>50nm)。許多研究者曾深入細(xì)致地研究了多孔材料吸附水溶液的情況，一致認(rèn)為，由于N2分子的尺寸與水溶液中OH或K離子的大小相近，因此在77K可以吸附N2的孔隙也可以吸附簡(jiǎn)單的水合離子。這些研究者得出這樣一條規(guī)則，即大于O．5nm的孔隙都可進(jìn)行電化學(xué)吸附，但孔隙大小不一樣，電化學(xué)吸附速度明顯不同。Hang Shi認(rèn)為微孔和中孑L對(duì)雙電層電容都有貢獻(xiàn)，只是微孔和中孔單位面積上的雙電層電容不同，通過實(shí)驗(yàn)得出微孔單位面積上的雙電層電容與石墨表面的雙電層電容接近。莊新國(guó)等也通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在微孔表面的比電容量約為21．4 u F／Cd，跟石墨表面雙電層電容相近，而在中孔表面的比電容量只有9uF／Cm2，不及光滑石墨表層比電容的一半。Deyang Qu等研究了不同孔徑分布的活性中間相炭微球制各的電容器電極的充放電性能，結(jié)果表明，孔徑越大，電化學(xué)吸附速度越快，即使在比表面積和總電’容量相對(duì)低的情況下也可在大電流下傳遞更多的能量。這種孔徑較大的材料適合做高功率型超級(jí)電容器的電極材料，滿足快速充放電的要求。在研究酚醛活性炭纖維制作的電極的孑L徑分布與電容器低溫性能的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)由孔徑較大的ACF制作的炭電極低溫性能好，低溫使用時(shí)容量損失少，特別是大子2nm的孔容比例越大，效果越好。
    目前超級(jí)電容器的應(yīng)用主要分為兩個(gè)領(lǐng)域，即提供能源和儲(chǔ)存?zhèn)浞�，前者需要大輸出電�?如應(yīng)用在電動(dòng)車上)，后者需要高能量密度(如電子管理器的儲(chǔ)存?zhèn)浞蓦娙萜?。同時(shí)由于所用電解質(zhì)離子的不同，所要求的孔徑結(jié)構(gòu)夜不盡相同。因此應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用目的的差別，而選擇結(jié)構(gòu)合適的碳材料。
  2)表面官能團(tuán)
  不僅碳材料的比表面積和孔徑分布對(duì)電容器的性能有影響，研究發(fā)現(xiàn)活性炭材料的表面酸度或者稱表面酸性官能團(tuán)的濃度也會(huì)影響電容器的性能。官能團(tuán)影響電容，主要通過兩種途徑：1．改變表面的潤(rùn)濕性能。一些親水基團(tuán)可以增加水的潤(rùn)濕性能，便于水溶液體系中電解質(zhì)離子的通過：而疏水基團(tuán)，可以增加有機(jī)溶液體系中離子的通過性能，從而增加表面利用率，并利于快速充放電。2．官能團(tuán)自身發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，從而提供贗電容，作為雙電層電容的一個(gè)補(bǔ)充.
    A．Yoshida等研究了活性炭纖維表面官能團(tuán)對(duì)電容器容量、內(nèi)阻和漏電流的影響，結(jié)果表明，隨著ACF表面含氧官能團(tuán)含量的增加，電容器的表觀漏電流增加，這可能是由于當(dāng)電極被施加過電壓時(shí)，表面官能團(tuán)氧含量對(duì)多次施加電壓后容量變化的影響作為活性點(diǎn)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。K．Hiratsuka等研究了各種活性炭電極制備的電容器在70"0施加2．8V電壓，經(jīng)過1000次施加電壓后，發(fā)現(xiàn)碳電極表面氧含量越多的，容量降低也越多。X．Liu等人在研究活性炭纖維電極的電化學(xué)氧化還原處理對(duì)電容器性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過電化學(xué)氧化處理后碳電極容量從135F／g增加到171F／g，同時(shí)電阻也增加了。氧化處理后進(jìn)行還原處理，容量增加更明顯(增加到215F／g)，還原處理后電極電阻比氧化處理后的低。研究者認(rèn)為產(chǎn)生這種變化的原因主要是由于碳材料氧化后表面含氧官能團(tuán)含量增加而引起的。從制各高容量、耐高壓、穩(wěn)定性好的電容器角度出發(fā)，希望活性炭材料表面的官能團(tuán)有一個(gè)合適的比例。所以通過表面處理可能會(huì)對(duì)容量有很大的影響，其改性方法有液相氧化法、氣相氧化法、等離子體處理、惰性氣體中進(jìn)行熱處理等㈨，可以增加表面積和孔隙率，增加官能團(tuán)濃度，提高潤(rùn)濕性能。s M Lipka．利用比表面積僅為2m2g的碳纖維作電極材料，通過活化使表面生成活性基團(tuán)后得到單電極比容量為300F／g。
    合適的表面活性劑可以吸附在炭電極的表面，達(dá)到增加官能團(tuán)的目的，并且表面活性劑的存在可能會(huì)影響到界面雙電層的結(jié)構(gòu)，并終影響電容量。但是官能團(tuán)的存在也有負(fù)面影響，如炭材料的表面官能團(tuán)含量越高，炭材料的接觸電阻就越大，導(dǎo)致電容器內(nèi)阻增大，降低比功率，并且官能團(tuán)的存在，可能增大漏電流。
    3)晶體結(jié)構(gòu)的影響
    炭材料的晶體結(jié)構(gòu)(石墨的微晶取向和石墨片層間距)也對(duì)超級(jí)電容器的電容性能有重要影響。活性炭是由層片狀六邊形炭環(huán)和部分無定形炭組成，這些炭環(huán)具有短程有序，長(zhǎng)程無序，形成類石墨微晶結(jié)構(gòu)，不同的活性炭其微晶結(jié)構(gòu)的基體層堆積數(shù)(Lc，垂直于石墨層結(jié)構(gòu))和邊緣層橫向度(La，平行于石墨層結(jié)構(gòu))比例相差很大，而基體層和邊緣層的比電容量有很大不同，后者要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者。因?yàn)榇怪庇谑�墨片層的方向，�?dǎo)電性不是很好，呈現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性，界面電容由三部分組成(如圖)：半導(dǎo)體內(nèi)部空間電荷層，溶液中的緊密雙電層和擴(kuò)散層雙電層，總的電容可表示為：1／C=l／c。+1／G+l／cd，"，這里C。，C。，Cji．分別表示空間電荷層電容，緊密雙電層電容和擴(kuò)散層電容。
    由于半導(dǎo)體電荷載體密度較低，相當(dāng)于很稀的溶液，故表層電荷分布在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)，伸入炭基體內(nèi)部，其電容量很小，而在濃溶液中，緊密層電容和擴(kuò)散層電容卻較大，所以總的電容中空間電荷電容起決定作用，也就是說基體層的低電容主要是由于其半導(dǎo)體特性的空間雙電層電容引起的。而石墨結(jié)構(gòu)的邊緣層方向卻是良導(dǎo)體，電荷集中在表層幾個(gè)埃的距離內(nèi)，故電容量決定于溶液電層電容，其值也較大。材料的比電容量由基體層電容和邊緣層電容組成，Lc／La比值越大，越有利于電容值的提高。