超级电容器电极材料的研究进展/袁 磊等#11#

超级电容器电极材料的研究进展*

袁 磊,王朝阳,付志兵,张厚琼,唐永建

(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳621900)

摘要 超级电容器作为一种新型、高效的储能元件,受到研究人员的广泛关注。主要综述了应用于超级电容器的活性碳、金属氧化物、导电聚合物复合材料等电极材料的研究进展以及现状,并探讨了电极材料的发展方向和研究重点。

关键词 超级电容器 活性碳电极材料 金属氧化物 导电聚合物

ResearchProgressinElectrodeMaterialsforSupercapacitor

YUANLei,WANGChaoyang,FUZhibing,ZHANGHouqiong,TANGYongjian

(LaserFusionResearchCenter,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900)

Abstract Asanewandhigheffectenergystoringdevice,supercapacitorattractedmuchattentionfromre-searchers.Researchprogressandpresentstatusaresummarizedsuchasactivatedcarbon,meta-loxideandconductingpolymer.Intheend,thedevelopmentdirectionandresearchemphasesarediscussed.Keywords supercapacitor,activatedcarbonelectrodematerials,meta-loxide,conductingpolymer

随着社会经济的发展,人们对绿色能源和生态环境越来越关注。超级电容器(Supercapacitor)又称电化学电容器,是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。与传统蓄电池相比,超级电容器具有较高的能量密度、功率密度和长循环寿命等,作为一种清洁、高效的新型储能器件,受到越来越多研究人员的关注,在电动汽车、移动通讯、国防科技等领域具有广阔的应用和发展前景[1,2]。超级电容器技术的发展核心是电极材料。按照超级电容器研究领域的国际权威B.E.Conway教授对超级电容器的定义,可以将其分为两类:一类是双电层电容器(Electricdoublelayercapacitor,EDLC);另一类是赝电容器(Pseudocapacitance)。前者电极材料主要为高比表面积碳材料,以电极和电解液内界面形成双电层存储能量,理想情况下电极接触面上没有发生电子转移,并且电荷和能量的存储都是静电学过程;后者电极材料为过渡金属氧化物和导电聚合物,以活性物质表面及体相所发生的快速可逆的氧化还原反应形式储存能量[3],其能量的存储是间接的,并且与电池中的能量存储相似。

本文主要对目前应用于超级电容器的电极材料:碳材料、导电聚合物复合材料以及贵金属氧化物或水合氧化物及其复合材料等进行论述。

电容器,要求必须具有高的比表面积;对于多孔碳材料,要求粒子之间具有良好的电导性,能与电解液充分接触,且具有粉末性和纤维性等,对改善其电容性和电导性有较好作用。

活性碳是一种优良的吸附剂,工业生产和应用历史悠久,同时,它也是双电层电容器最早采用的电极材料,原料来源丰富,石油、煤、木材、果壳等都可用来制备活性碳粉。原料经调制后可直接进行碳化、活化。活化主要有物理活化(CO2、H2O蒸气为活化剂)和化学活化(ZnCl2、H3PO4、KOH等为活化剂)2种,即通过不同的活化工艺来调节活性碳的理

[4]

化性能,以适合双电层电容器的需要。AlarJanes等利用水蒸气对商用纳米多孔碳RP-20在950~1050e内进行活化,在1050e活化时的比表面积达到2240m2/g;扫描速率小于10mV/s时在(C2H5)3CH3NBF4和乙腈混合电解液中的单电极比电容为240F/g。两电极体系(约3.2V)能在很宽的区域内达到一个理想的极化率。电化学性能测试表明此材料在非水电解液中具有较高的能量密度和功率密度。T.C.Weng等[5]以煤焦油沥青经过热处理制得的中间相沥青为原料,KOH为活化剂,制得了比表面积达2860m2/g的活性碳,在1mol/LH2SO4溶液中其比电容仅为130F/g。导致活性碳材料在电化学性能方面差异的原因与原料和制备工艺的细微区别有关,尚需进行更加深入细致的研究,以满足国内对双电层电容器的迫切需要。

从双电层电容器的储能原理来看,碳纳米管应是一种理想的电极材料。它是由单层或多层石墨卷曲而成的中空纳米管状材料,结晶度高、导电性好、比表面积大、孔径分布集

1 碳基双电层电容器

双电层电容器是超级电容器的主要技术发展领域之一,

其电极材料主要集中在多孔碳、活性碳、活性碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管以及介孔碳等方面。对于双电层形式碳电化学 *中国工程物理研究院科学技术发展基金(2009A0302020)

袁磊:女,1981年生,博士研究生,从事储氢材料与新型聚变材料研究 E-mail:yuanlei0211@http:// 唐永建:通讯作者,研究员,

#12#材料导报:综述篇 2010年9月(上)第24卷第9期

中在一定范围内(且孔径可控)、具有良好的频率响应特性,在较高频率下可充分释放其存储的能量。E.Frackowiak等[6]以钴盐为催化剂,二氧化硅为模板催化裂解乙炔制得多壁碳纳米管。尽管其比表面积只有400m2/g,但其双电层电容比容量达135F/g,最富特色的是在高达50Hz的工作频率下,其比容量下降较小,这在碳基双电层电容器中较有特色。由于碳纳米管的比表面积相对较低,导致其比容量不高,因此需采用其它手段来提高其比容量。TarikBordjiba等[7]合成了碳气凝胶-多壁碳纳米管复合材料,使碳纳米管比表面积由370m2/g提高至710m2/g,平均孔径为4nm,在5mol/LKOH电解液中测得其比电容达到218F/g。HuiPan等以氧化铝为模板制备了管-中-管的多壁碳纳米管,其外径为50nm,内径为3~10nm,在0.5mol/L的H2SO4电解液中进行电化学性能测试,平均电容为203F/g,比电容为315F/g,兼有双电层电容和赝电容特性。比表面积测试表明高的比 …… 此处隐藏：9696字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……