【《超级电容器电极材料概述》1900字】

-I-超级电容器电极材料概述目录TOC\o"1-3"\h\u25645超级电容器电极材料概述 1239961.1导电聚合物 156241.2过渡金属氧化物 1278981.3碳材料 21.1导电聚合物导电聚合物尽管机械性能较低，但本征电导率高，一定条件下甚至可以达到金属的量级[[16]SNOOKGA;KAOP;BESTAS,Conducting-polymer-basedsupercapacitordevicesandelectrodes[J].JournalofPowerSources,2011,196(1):1-12.]。普遍适用于多个领域，其中包括电池、晶体管、光电子器件等。[16]SNOOKGA;KAOP;BESTAS,Conducting-polymer-basedsupercapacitordevicesandelectrodes[J].JournalofPowerSources,2011,196(1):1-12.导电聚合物优点诸多，如比电容高、能量密度大、耐高温，同时这种材料合成简便，对环境几乎无污染。由导电聚合物制成，或是外表面有导电聚合物涂层的电极制造成本与碳电极的成本相当，相对较低，因此近几年来这种材料广受欢迎。常用作电极材料的导电聚合物主要是聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）、聚乙炔、聚对苯等。导电聚合物的研发最早是在1970年代，美国宾夕法尼亚大学的HidckiShirakawa和MacDiarmid等人[[17]ShirakawaH,LouisEJ,MacDiarmidAG,etal.Synthesisofelectricallyconductingorganicpolymers:halogenderivativesofpolyacetylene,(CH)x[J].JournalofChemicalSociety,ChemicalCommunications,1977,578-580.]于史上首次成功合成出了电容量优秀的聚乙炔卤族衍生物。V.J.Fulari课题组[[18]U.M.Chougale,J.V.Thombare,A.B.Kadam,etal.SynthesisofPolyanilinenanofibresbySILARmethodforSupercapacitorapplication[C].Nagercoil:EnergyEfficientTechnologiesforSustainability(ICEETS),2013,1078-1083.]通过连续离子层吸附反应，制备出了具有纳米纤维状形态的PANI。[17]ShirakawaH,LouisEJ,MacDiarmidAG,etal.Synthesisofelectricallyconductingorganicpolymers:halogenderivativesofpolyacetylene,(CH)x[J].JournalofChemicalSociety,ChemicalCommunications,1977,578-580.[18]U.M.Chougale,J.V.Thombare,A.B.Kadam,etal.SynthesisofPolyanilinenanofibresbySILARmethodforSupercapacitorapplication[C].Nagercoil:EnergyEfficientTechnologiesforSustainability(ICEETS),2013,1078-1083.导电聚合物也存在不足，主要问题是能实际作为电极材料投入应用的导电聚合物的种类相对较少，法拉第电荷转移氧化还原过程的可逆性比过渡金属氧化物低，导电率不高。此外在交流阻抗测试中，观察其阻抗图谱还发现内阻大，循环稳定性有限，可提供约10000圈循环，这个数值依旧比电池的循环稳定性高得多。1.2过渡金属氧化物最早研究过渡金属氧化物作电极材料的是渥太华大学的BrianEvansConway等人，经长期研究后，他们发现过渡金属氧化物电极具有较高的赝电容。常见的过渡金属氧化物有RuO2、IrO2、单独的TiS2和TiS2的混合物。他们还在TiO2表面[[19]ConwayBE.Transitionfrom“Supercapacitor”to“Battery”behaviorinelectrochemicalenergystorage[J].JournaloftheElectrochemicalSociety,1991,138(6):1539-1548.]~[[20]JordanovSH,KozlowskaHA,ConwayBE.SurfaceoxidationandHdepositionatrutheniumelectrodes:Resolutionofcomponentprocessesinpotential-sweepexperiments.JournalofElectroanalyticalChemistryandInterfacialElectrochemistry,1975,60(3):359-362.]，通过热处理制备出具有赝电容的RuO2电极材料，RuO2在硫酸电解液中电容可达720F/g，能量密度可达26.7Wh/kg。但是RuO2等贵金属价格昂贵且对环境有污染，当前，研究重点正转向更容易获得的贱金属氧化物，如MnO2、Co3O[19]ConwayBE.Transitionfrom“Supercapacitor”to“Battery”behaviorinelectrochemicalenergystorage[J].JournaloftheElectrochemicalSociety,1991,138(6):1539-1548.[20]JordanovSH,KozlowskaHA,ConwayBE.SurfaceoxidationandHdepositionatrutheniumelectrodes:Resolutionofcomponentprocessesinpotential-sweepexperiments.JournalofElectroanalyticalChemistryandInterfacialElectrochemistry,1975,60(3):359-362.作为电极材料，过渡金属氧化物也存在一些不足，导电率较低，这会增大电阻，降低电容量。此外，充电、放电时每个电极的电位窗口电压约为1.2V。电容量大约为720F/g，是使用活性炭作电极材料的双层电容器电容的100倍。这些过渡金属电极具有极好的可逆性，可进行几十万次循环。与此同时2.4V的电压窗口限制了不能将其应用于军事或太空中。1.3碳材料碳材料是现今使用最普遍的超级电容器电极材料，原因是它比表面积大、孔隙发达、抗化学腐蚀性能好、导电性良好、物理化学稳定性好、热膨胀系数小。常作电极的碳材料有高比表面活性炭、碳纳米管、石墨烯、活性碳纤维等，其表面富含有大量的含氧官能团。[[25]FengXM,LiRM,MaYW.One-StepElectrochemicalSynthesisofGraphene/PolyanilineCompositeFilmandItsApplications.AdvancedFunctionalMaterials,2011,21(15):2989-2996.]其中，活性炭是双电层电容器电极的首选材料。尽管它的导电性大约是金属的0.003%(1250~2000S/m)，但对超级电容器来说已经足够了。对这些材料进行循环伏安测试后发现，与未经过任何改造的纯碳材料相比，它们的CV曲线上都出现了氧化还原峰。分析后得知，含氧基团具有赝电容的特性，可参与法拉第电荷转移，增大材料的比电容。因此，我们可以向材料中掺杂含氧基团，从而进一步提高材料的实际应用价值。[25]FengXM,LiRM,MaYW.One-StepElectrochemicalSynthesisofGraphene/PolyanilineCompositeFilmandItsApplications.AdvancedFunctionalMaterials,2011,21(15):2989-2996.表1.4常用作超级电容器的碳材料及其优点Table1.4Carbonmaterialsfrequentlyusedinsupercapacitorandtheiradvantages定义优点石墨烯碳原子堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，杂化连接方式为sp²杂化[[]DanielR.etc."ExperimentalReviewofGraphene".ISRNCondensedMatterPhysics.InternationalScholarlyResearchNetwork[J].2012:1-56.]。是单原子厚的\o"石墨"石墨片，原子以规则的六边形图案排列[]DanielR.etc."ExperimentalReviewofGraphene".ISRNCondensedMatterPhysics.InternationalScholarlyResearchNetwork[J].2012:1-56.电荷迁移率高；热导率高；机械和力学性能优异；透气性良好；比表面积大活性炭（AC）是一种经过特殊处理，体积小的多孔碳，以增加可用于吸附或化学反应的表面积。微孔结构发达；MitaniS.d等人[[]LiH.Three-dimensionallyorderedporousTiNbzO,nanotubes:asuperioranodematerialfornextgenerationhybridsupercapacitors.JournalofMaterialsChemistryA,2015,3:16785-16790.]以焦炭和沥青为原料，KOH活化，得到的活性炭比表面积可达到1900~3200m2[]LiH.Three-dimensionallyorderedporousTiNbzO,nanotubes:asuperioranodematerialfornextgenerationhybridsupercapacitors.JournalofMaterialsChemistryA,2015,3:16785-16790.碳纳米管（CNTs）结构特殊的纳米材料，具有\o"圆柱型"圆柱形\o""纳米结构的\o"超轻材料"碳\o"分子"分子。质量小，力学、电学和化学性能优良。中空结构独特；比表面积大；导电率良好；化学稳定性优良；高度可润湿；导电性高[[]章仁毅，张小燕，樊华军，等.基于碳纳米管的超级电容器研究进展[J].应用化学,2011,28(5):489-499.][]章仁毅，张小燕，樊华军，等.基于碳纳米管的超级电容器研究进展[J].应用化学,2011,28(5):489-499.活性碳纤维(ACF)以活性炭为原料制成的直径一般为10µm的碳材料孔隙分布窄，易控制；电阻低。活性碳纤维电极由于具有微孔，电容以双层电容为主，赝电容较少[[]KresgeCT,LeonowiczME,RothWJ,etal.Orderedmesoporousmolecularsievessynthesizedbyaliquid-cryst