超级电容器电极材料综述

1、超级电容器电极材料的研究进展Research Progress of Supercapacitors Electrode Material Designed by PengTQ1. 超级电容器概况2. 电极材料研究进展3. 展望目录 CONTENTS1.1 何为超级电容器 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池特性,能提供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功率密度和更长的循环寿命。高能量密度高能量密度高功率密度高功率密度长循环寿命长循环寿命超级电容器传统电容器电池VS1.2 超级电容器的应用超级超级电容器电容器通讯通讯电子电子国防国防汽车汽车新能新能源源1

2、.3 超级电容器的分类双电层双电层法拉第法拉第双电层电容器双电层电容器, , 其电容的其电容的产生主要基于电极产生主要基于电极/ /电解液电解液上上电荷分离电荷分离所产生的双电所产生的双电层电容层电容, , 如碳电极电容器如碳电极电容器法拉第准电容器法拉第准电容器, , 其电容的产生是其电容的产生是电极表面或体相中的二维或准二维电极表面或体相中的二维或准二维空间上空间上, , 电活性物质进行欠电位沉电活性物质进行欠电位沉积积, , 发生发生高度的化学吸脱附或氧化高度的化学吸脱附或氧化还原反应还原反应, , 产生与电极充电电位有产生与电极充电电位有关的电容关的电容, , 如如金属氧化物电极金属氧

3、化物电极电容电容器和导电聚合物电极电容器和导电聚合物电极电容器器 1. 1. 比电容比电容 单位为F/g 2. 2. 功率密度功率密度, , 也称比功率也称比功率指单位质量或单位体积的超级电容器在匹配负荷下产生电/热效应各半时的放电功率。它表征超级电容器所能承受电流的能力, 单位为kW /kg或kW /L。 3. 3. 能量密度能量密度, , 也称比能量也称比能量指单位质量或单位体积的电容器所给出的能量, 单位为Wh /kg或Wh/L。 4. 4. 循环稳定性循环稳定性1.4 超级电容器的性能指标1.5 超级电容器的组成电极电极材料材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素之一。集流体电解

4、质电 极隔 膜1.5 超级电容器的组成碳素材料金属氧化物。导电聚合物碳素材料碳素材料原理原理EDLC种类种类活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等优点优点原料丰富价格低廉；比表面大；导电性好；化学稳定性高缺点缺点比电容相对较小；能量密度不高研究热点研究热点活化活性炭（物理/化学）；碳材料的分散高度有序的碳纳米管阵列；修饰石墨烯；复合材料复合材料：如CNT与金属氧化物、导电聚合物、石墨烯的复合材料2.1 碳材料2.1 碳材料M Hummers ()() ultiwalled Carbon Nanotubes MWCNTsCurved Graphe

5、ne Nanosheets CGN 多壁碳纳米管法剥离 弯曲石墨烯纳米片Wang, Huanwen, et al. Cutting and unzipping multiwalled carbon nanotubes into curved graphene nanosheets and their enhanced supercapacitor performance. ACS applied materials & interfaces 4.12 (2012): 6827-6834.金属氧化物材料金属氧化物材料原理原理以法拉第电容为主，也包含双电层电容：离子的吸附/脱吸附和插入/脱

6、出种类种类贵金属氧化物（RhO、IrO）；贱金属氧化物（Co3O4、NiO/NiOH、MnO2、V2O5等）优点优点高的比电容（是碳材料的10 100倍）；稳定性好缺点缺点结构致密，导电性能差；电势窗口太窄研究热点研究热点通过不同的制备方法（如PLD）得到纳米化的结构，如已制备了纳米棒、纳米片纳米环、分级多孔纳米花、中空纳米球等，主要为了增大表面积，同时有利于离子的传输；复合材料2.2 过渡金属2.2 过渡金属Wang, Huanwen, Yalan Wang, and Xuefeng Wang. Pulsed laser deposition of the porous nickel oxi

7、de thin film at room temperature for high-rate pseudocapacitive energy storage. Electrochemistry Communications 18 (2012): 92-95.Wang, Huanwen, Yalan Wang, and Xuefeng Wang. Pulsed laser deposition of large-area manganese oxide nanosheet arrays for high-rate supercapacitors.New Journal of Chemistry

8、(2013).导电聚合物材料导电聚合物材料原理原理主要是法拉第准电容：电极内具有高电化学活性的导电聚合物进行可逆的P型或n型掺杂或去掺杂；还有一部分电极/溶液界面的双电层种类种类聚吡咯；聚苯胺；聚噻吩优点优点通过设计聚合物的结构，优选聚合物的匹配性，来提高电容器的整体性能；比电容大；成本低缺点缺点品种少；直接用导电有机聚合物作电化学电容器电极材料电容器内电阻较大；充放电过程会发生膨胀，影响使用寿命研究热点研究热点开发新的导电聚合物；改进导电聚合物电极材料的性能，优化超级电容器阴、阳极上聚合物的电化学匹配性；复合材料2.3 导电聚合物3. 展望 提高提高能量密度能量密度高比电容高比电容宽电势窗口宽电势窗口1.1.要要有有大的大的比表面积比表面积，高，高比表面意味着有更多的反比表面意味着有更多的反应活性点应活性点。2.2.要要有有合适的孔分布合适的孔分布，孔，孔网络以及孔长度，这些条网络以及孔长度，这些条件都有利于离子件都有利于离子以较高以较高的的速率传输速率传输。3.3.复合复合电极的电荷电极的电荷传输电传输电阻要低阻要低。4.4.有有较高的电化学较高的电化学稳定性稳定性和机械稳定性。和机械稳定性。电极材料电极材料3. 展望未来电极材料的发展有两个重要的方向两个重要的方向: : 复合材料 材料纳米化纳米结构的材料具有