材料，其性能直接影响超级电容器的比功率、比容量以及循环寿命。本文综述了隔膜在超级电容器中的作用，深入分析了隔膜对超级电容器电性能的影响机理，分别介绍了目前主要隔膜产品的制备及优缺点，并对其发展趋势进行了展望。
关键词：超级电容器；隔膜；机理；制备；应用研究
中图分类号：TS761.2
文献标识码：A
DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.12.013
超级电容器是一类介于静电电容与电池之间通过极化电解质等方式储存能量的新型储能器件，隔膜是超级电容器的关键材料，直接影响超级电容器的性能。本文综述了隔膜在超级电容器中的作用，深入分析了隔膜对超级电容器电性能的影响机理，分别介绍了目前主要隔膜产品的制备及优缺点，并对其发展趋势进行了展望。
1超级电容器简介
1.1超级电容器性能特点
相比于传统储能产品，超级电容器具有以下显著特点：①比功率高。一般超级电容器的峰值功率密度超过10 kW/kg；美国IOXUS公司研制的超级电容器功率密度达到20 kW/kg。②工作温度范围广。传统锂电池等储能器件工作温度区间通常为-20～40℃，而超级电容器则可以在-40～85℃之间正常工作。③循环寿命长。超级电容器充放电循环次数可以达到50万次至上百万次，循环寿命长，且具有相对小的能量损失（约为10%～20%）[1]。④充放电时间短。由于超级电容器充放电主要伴随物理或可逆的电化学反应过程，通常可以在数秒内即可完成充电过程。此外超级电容器还具有漏电少、维护简单方便、绿色环保等特点。
目前研究表明，超级电容器工业化应用最大的难点是能量密度低于锂电池的，锂离子电池能量密度可达110～300 Wh/kg，而普通超级电容器只能达到10 Wh/kg左右，图1所示为各种类型储能器件功率密度、能量密度和充电时间对比图[2]。制约超级电容器能量密度提高的主要因素是电极和电解质材料，储能领域关于超级电容器的研究也主要集中于高性能电极和电解质的研发方面。
能量密度和充电时间对比图[2]
1.2超级电容器分类及组成
根据储能机制的不同，超级电容器可以分为双电层电容器（Electric double layer capacitor， ELDC）、赝电容电容器（Pseudocapacitor）和混合电容器（Hybrid capacitors） 3种[3]。超级电容器在结构上主要由封装材料、集电极、正负电极、电解质和隔膜共5部分组成，如图2所示。
2超级电容器隔膜
隔膜是超级电容器的关键材料，直接影响超级电容器的性能。近年来，在超级电容器的研究报道中有关隔膜的研究较少。商用超级电容器隔膜在国际上主要生产商包括日本高度纸业（Nippon Kodoshi Corporation， NKK）、美国Celgard公司，国内有中国制浆造纸研究院有限公司、浙江凯恩特种材料股份有限公司等。其中日本NKK生产的纤维素纸隔膜占据了全球90%以上纸隔膜生产销售份额，占超级电容器隔膜全球市场的60%以上；我国的超级电容器生产厂商使用的隔膜产品也以日本NKK纤维素纸隔膜为主。
2.1超级电容器隔膜作用机理
隔膜的主要作用是：①隔离正负极材料，防止电极间接触造成短路；②导通电解质离子循环通道，保证充放电过程快速进行。
由隔膜在超级电容器内部发挥的作用决定了生产制作的隔膜需要符合以下要求：①具有良好的隔离性能和绝缘效果；②拥有较高的孔隙率、吸液和保液性能；③隔膜材料化学性质稳定，不与电解质发生反应；④隔膜材料电阻小，制作而成的超级电容器自放电率低；⑤较高的机械强度，收缩变形较小；⑥隔膜表面平整、孔隙分布均匀等。此外，隔膜材料性质的不同也会影响超级电容器内部设计结构以及封装形式等[4]。
超级电容器中电解质离子交换速率主要受隔膜材料的影响，而离子交换速率影响超级电容器比功率性能的提升，因此隔膜材料对于超级电容器的比功率有很大影响[56]；电容器的最大工作电压取决于介电材料的性能，在超级电容器中，隔膜是重要的介电材料[1]。因此，隔膜材料的研究是使超级电容器工业化应用的关键环节。
2.2超级电容器隔膜分类
超级电容器隔膜主要有纤维素纸隔膜、合成高分子聚合物隔膜、静电纺丝隔膜和生物隔膜等4大类。
2.2.1纤维素纸隔膜
纤维素纸隔膜因其所用材料为纤维素纤维，在成纸过程中纤维之间形成立体网状结构，纤维分丝帚化形成的微纤丝在主干纤维与微纤丝之间形成桥接，使成纸具有较高的机械强度[7]。一方面纤维素对电子有绝缘作用，制得的隔膜产品可以有效防止兩电极间接触造成短路；另一方面纸隔膜孔隙率较高，纤维素分子包含数量较多的吸水性羟基官能团，使成纸具有良好的吸液保液效果，能够使电解质阴阳离子在充电、放电过程中实现快速交换，因此纤维素纸可以作为隔膜应用于超级电容器。
纤维素纸隔膜主要由造纸法抄造而成，常见的原料包括植物纤维如棉浆、木浆、草浆、麻浆、再生纤维等，以及辅助植物纤维配抄的合成纤维如聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、黏胶纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、皮芯复合纤维（ES纤维）等。单一的纤维浆粕纸隔膜制品在强度上不及采用干法拉伸形成的高分子聚合物隔膜，在抄造过程中添加合成纤维不仅可以改善纸隔膜孔隙率还能提高其强度性能。
纤维素纸隔膜应用于超级电容器应满足超级电容器的基本使用性能要求，并希望进一步提高隔膜的孔隙率和孔隙分布匀度，降低孔隙大小，减小隔膜厚度，从而提高电解质离子的交换能力及安全性能，减少因纤维素纸隔膜内阻引起的自放电现象，进一步缩小超级电容器的体积。目前市场上超级电容器纸使用的纤维素隔膜产品，在高端市场主要由日本NKK垄断，部分低端超级电容器的纤维素纸隔膜依然采用传统电池用纸隔膜产品。