【《超级电容器的电极活性材料分析》2100字】

超级电容器的电极活性材料分析超级电容器具有以上各种优点，但是，目前超级电容器的能量密度却远低于常规的蓄电池（约为蓄电池的10%～20%），这使得超级电容器的应用受到很大的限制。因此，目前超级电容器的研究趋势就是在保持以上高功率密度和循环稳定性的优点下，进一步提升能量密度。超级电容器的电极材料是超级电容器最核心的部件之一，电极材料的性能对器件的整体性能有着巨大的影响，通过选择性能不同的电极材料、改变比表面积、电极表面孔径的密度和大小都会使得影响电化学电容比。目前针对超级电容器的研究主要集中在电极材料的研发上，主要包括有碳材料、导电聚合物和金属氧化物（氢氧化物）等。碳材料碳材料包括活性炭、碳纤维、石墨烯和碳纳米管等，具有着成本低，易于工业化生产的优势，运用于各个领域中。在超级电容器领域中，由于具有高比表面积、高导电性和良好的循环稳定性，碳材料是一种具有代表性的双电层电极材料[9]。对于碳材料来说，通过控制和调节表面孔径分布和引入表面官能团是提高碳材料有效比电容的有效方法。Ito等[10]人以沸石为模板，通过在沸石纳米通道中渗透前驱体的炭化，制备出一种具有三维排列的相互连接的1-2nm微孔，所制得的碳材料在有机电解液溶液中具有的电容为140-190Fg-1，即使在高达20Ag-1的电流的条件下，仍然保持很高的电容。Hua等[11]以悬铃木果实和柳絮为原料，制备了具有微孔碳纤维的电极材料，通过炭化、活化后的纤维结构具有高电容电极性能，在电流密度为0.5Ag-1的条件下，悬铃木和柳絮中空碳纤维的比电容分别为30.465Fg-1和276.13Fg-1，且两种材料的循环稳定性强。Yeh等[12]通过化学气相沉积法合成了一种多壁碳纳米管材料，再通过硼酸的酸化后，得到比容量为40Fg-1的硼掺杂多壁碳纳米管。导电聚合物导电聚合物包括聚苯胺、聚吡咯、聚对苯等，因为该材料具有成本低、导电性能好等优点引得研究人员的广泛关注。但是在导电聚合物作为电极材料时，由于在循环过程中，离子的嵌入和脱嵌都会造成材料的体积变化从而使得电极的电导率下降。为解决以上的问题，将导电聚合物与碳材料、无机氧化物和氢氧化物或者其他金属化合物等材料复合制得三维的导电复合材料，通过各类材料相互协作而达到提高电极循环性能的目的[13]。Moyseowicz等[14]通过两步法合成了多孔聚苯胺和还原石墨烯氢氧化物，最终得到比表面积为228m2g-1的三维多孔复合材料PANI/rGO-HT。在电流密度为0.2-20Ag-1时，该材料的比电容可以达到420-239Fg-1。Zhang等[15]采用后组装法，在静电吸附下制备了聚苯胺纳米管(PANI-T)和石墨烯氧化物(GO)的复合材料。在电流密度为0.5Ag-1时，PANI-T/GO-10%的比电容可以达到1220Fg-1，远高于PANI-T的648Fg-1，且在经过500次循环后，复合材料的电容量仍然可以保持97%。过渡金属氧化物（氢氧化物）及其复合物目前，在超级电容器领域，作为电极材料的过渡金属氧化物（氢氧化物）有镍、钴、锰的氧化物（氢氧化物）等以及它们的二元或者多元复合物。一般来说，过渡金属氧化物（氢氧化物）和碳材料相比，能量密度更高；与导电聚合物材料相比，电化学性能更稳定。（1）一元金属氧化物将金属氧化物／氢氧化物这类金属化合物（包括NiO2，MnO2和Co3O4等）作为超级电容器的电极时，这些材料主要通过氧化还原反应进行能量储存。和其他双电层电容的材料相比较，这类材料的容量和能量密度的性能更佳，目前已经成为在这领域的研究热点之一。例如，Cao等[17]通过电沉积法在Y型沸石上沉积，最终制得了片状纳米Co(OH)2，该材料的比电容高达3108Fg-1。Zhu等[18]采用二氧化锰水热合成法在泡沫镍表面沉积纳米结构的二氧化锰，在500℃退火条件下，中性溶液中，电流密度为1Ag-1的时候比容量达到最佳值(244Fg-1)。在碱性溶液中，电流密度为2Ag-1时，电容可达950Fg-1。（2）二元金属氧化物通过将不同类型具有不同性能的金属氧化物相结合制得复合纳米结构，可以克服各类金属氧化物的不足，比如导电性差和理论电容不高等缺点，来达到提升性能的目的。这个研究方向也逐渐成为目前的研究新方向。比如，Wei等人[19]通过使用低成本和稳定的金属盐作为前驱体，运用溶胶-凝胶法制备出钴镍气溶胶，在钴镍比为0.5和凝胶干燥后煅烧温度为200℃的条件下，钴镍气溶胶具有很好的比表面积和孔径，在0.04–0.52V的电压范围内，比电容达到1400Fg-1。Dan等[20]采用后合成同晶取代的方法成功地制备出层状的Co-Mn氧化物纳米堆(NCs)。制备层状的钴锰氢氧化物和石墨烯氧化物的复合材料(GO/Co-MnNCs)，该材料在3Ag-1的条件下，比容量为677Cg-1，在经历2000次循环后，容量依然可以保持在原来的95%。（3）三元金属氧化物为了解决过渡金属氢氧化物所共有的低稳定性和低电导率问题，研究者对三元氢氧化物材料进行了结构改性[21]。Bao等[22]首先在碳纤维基板上合成了高导电性的Zn2SnO4纳米线然后MnO2薄膜表面屠夫一层薄膜，最终获得了高比电容的复合材料MnO2/Zn2SnO4/C。在1MNa2SO4电解液中，电流密度为1.0Ag−1的条件下，该材料可以达到642.4Fg−1的最大比电容。Sahoo等[23]用阴极电沉积法在泡沫镍上制备出多孔镍钴锰化物纳米片(NCMS)，所制得的纳米片具有较大的电化学活性和高孔隙结构，在1Ag-1时，比电容达到了2717Fg−1和94.07Wh/kg的能量密度。Li等[24]通过水热法将NiCoMn-OH生长在石墨花瓣上，最终制得纳米针结构的复合