超級(jí)電容器電極材料研究進(jìn)展

1、超級(jí)電容器電極材料研究進(jìn)展13080500173魏祥當(dāng)前，化石能源短缺和全球變暖導(dǎo)致的能源和環(huán)境問題日益凸顯，大力發(fā)展清潔和可再生能源成了不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。超級(jí)電容器作為一種介于傳統(tǒng)電容器和鋰離子電池之間的新型儲(chǔ)能體系，其功率密度顯著高于鋰離子電池，能量密度是傳統(tǒng)電容器的10～100倍[1]。同時(shí)還具有快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、庫倫效率高及瞬時(shí)大電流充放電等特性，應(yīng)用前景廣闊。超級(jí)電容器又稱電化學(xué)電容器或雙電層電容器，是建立在Helmhol

2、z界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的電容器，超級(jí)電容器已在電動(dòng)汽車、移動(dòng)通訊、太陽能和風(fēng)力發(fā)電、航空航天和國(guó)防科技等方面發(fā)揮著重要作用[2]。1.超級(jí)電容器概述超級(jí)電容器(supercapacits或ultracapacits)，又稱電化學(xué)電容器(electrochemicalcapacits)一般由電極材料、電解液、集流體和隔膜等組成，見圖1中a和b，其中電極材料是影響其電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一，而電解液則決定著超級(jí)電容器的工作電壓窗口

3、。一般，超級(jí)電容器依據(jù)以下幾種方式進(jìn)行分類[3]：1)根據(jù)電解液可分為水系電解液電容器有機(jī)電解液電容器以及固態(tài)電解液電容器；2)根據(jù)電化學(xué)電容器的結(jié)構(gòu)可分為對(duì)稱型電容器和非對(duì)稱型電容器；3)根據(jù)電極材料及儲(chǔ)能機(jī)理可分為雙電層電容器法拉第贗電容器和混合型電容器。率密度高。超級(jí)電容器高電容量低等效電阻和快速充電性能，使得其具有高比功率；6)溫度范圍寬。超級(jí)電容器的電荷轉(zhuǎn)移過程一般在電極表面進(jìn)行，其正常使用受環(huán)境溫度影響不大，溫度范圍一般為4

4、0～70℃；7)環(huán)境友好。超級(jí)電容器的包裝材料中不涉及重金屬，所用電極材料安全性能良好且環(huán)境友好，為一種綠色儲(chǔ)能元件。但是，超級(jí)電容器的能量密度不能讓人滿意。為進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的能量密度，近年來開發(fā)出了混合超級(jí)電容器，又稱“不對(duì)稱超級(jí)電容器”。其中，一極采用具有氧化還原活性的電極材料通過電化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化能量，另一極則采用碳材料通過雙電層來儲(chǔ)存能量[6]。在混合型超級(jí)電容器中，能量?jī)?chǔ)存的過程仍主要發(fā)生在電極表面，電極材料的比電容

5、、導(dǎo)電性、比表面積和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是混合型超級(jí)電容器能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化性能的決定因素。因此，為了提高能量密度和功率密度，無論是雙電層超級(jí)電容器、法拉第準(zhǔn)電容器（贗電容器），還是混合超級(jí)電容器，其電極材料必須具有比表面積大、電導(dǎo)率高和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特性。2.超級(jí)電容器電極材料超級(jí)電容器作為一個(gè)復(fù)雜的儲(chǔ)能體系，其電化學(xué)性能受限于諸多因素，如電極材料電解液隔膜和封裝技術(shù)等，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這些影響因素都進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并且申請(qǐng)了大量專利技術(shù)。普遍認(rèn)為電極材料

6、對(duì)超級(jí)電容器的電化學(xué)性能起著決定性作用。2.1雙電層電極材料在目前廣泛用于雙電層電容器的各類碳質(zhì)材料中，活性炭(Activatedcarbons，ACs)是目前最成功的商業(yè)化超級(jí)電容器電極材料，這源于制備活性炭的原料豐富，活化工藝成熟然而，活性炭存在的一些弊端如孔徑分布不均和比表面積利用率低下等，使其不適宜成為理想的模板電極材料，用以探討雙電層電容器的儲(chǔ)能機(jī)理。2004年石墨烯的成功剝離為超級(jí)電容器的高效儲(chǔ)能帶來了新的契機(jī)。石墨烯具有優(yōu)

7、異的導(dǎo)電性、柔韌性、力學(xué)性能和很大的比表面積，自身可作為雙電層超級(jí)電容器的電極材料。但無論是石墨烯、氧化石墨烯（GO）還是還原氧化石墨烯（RGO），它們?cè)谥苽溥^程中均容易發(fā)生堆疊，影響石墨烯材料在電解質(zhì)中的分散性和表面可浸潤(rùn)性，降低了石墨烯材料的有效比表面積和電導(dǎo)率。因此，避免石墨烯堆疊是制備高能量密度和高功率密度石墨烯基超級(jí)電容器的技術(shù)難題之一。以石墨烯作為基元單位構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)和功能導(dǎo)向的宏觀材料如膜材料或三維宏觀體，是一種比較理想的