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超级电容器电极材料的研究进展

导读: 超级电容器既具有超大容量,又具有很高的功率密度,因此它在后备电源、替代电源、大功率输出等方面都有极为广泛的应用前景。超级电容器的性能主要取决于电极材料,近年来各国学者对于超级电容器的电极材料进行了大量的研究。

  摘要:超级电容器既具有超大容量,又具有很高的功率密度,因此它在后备电源、替代电源、大功率输出等方面都有极为广泛的应用前景。超级电容器的性能主要取决于电极材料,近年来各国学者对于超级电容器的电极材料进行了大量的研究。

  摆玉龙

  (新疆化工设计研究院,乌鲁木齐830006)

  1前言

  超级电容器的种类按其工作原理可以分为双电层电容器、法拉第准电容器(也称为赝电容电容器)以及二者兼有的混合电容器。双电层电容器基于双电层理论,利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来储存能量。法拉第准电容器则基于法拉第过程,即在法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生,不仅发生在电极表面,而且可以深入电极内部。根据这两种原理,目前作为超级电容器的电极材料的主要分为三类[1]:碳材料、金属氧化物及水合物材料、导电聚合物材料。

  2碳材料类电极材料

  在所有的电化学超级电容器电极材料中,研究最早和技术最成熟的是碳材料。其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的。碳电极的研究主要集中在制备具有大的比表面积和较小内阻的多孔电极材料上,可用做超级电容器电极的碳材料主要有:活性炭、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶、纳米碳管等。

  活性炭(AC)是超级电容器最早采用的碳电极材料[2]。它是碳为主,与氢、氧、氮等相结合,具有良好的吸附作用。其特点是它的比表面积特别大,比容量比铂黑和钯黑高五倍以上[3]。J.Gamby[4]等对几种不同比表面积的活性炭超级电容器进行测试,其中比表面积最大为2315m2˙g的样品得到的比容量最高,达到125F/g,同时发现比表面积和孔结构对活性炭电极的比容量和内阻有很大影响。

  活性炭纤维(ACF)是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。ACF的制备一般是将有机前驱体纤维在低温(200℃~400)℃下进行稳定化处理,随后进行炭化、活化(700℃~1000)℃。日本松下电器公司早期使用活性炭粉为原料制备双电层电容器的电极,后来发展的型号则是用导电性优良、平均细孔孔径2~5nm、细孔容积0.7~1.5m3/g、比表面积达1500~3000m2/g的酚醛活性炭纤维[5],活性炭纤维的优点是质量比容量高,导电性好,但表观密度低。H.Nakagawa采用热压的方法研制了高密度活性炭纤维(HD-ACF)[6],其密度为0.2~0.8g/m3,且不用任何粘接剂。这种材料的电子导电性远高于活性炭粉末电极,且电容值随活性炭纤维密度的提高而增大,是一种很有前途的电极材料。用这种HD-ACF制作超级电容器电极[7],结果表明,对于尺寸相同的单元电容器,采用HD-ACF为电极的电容器的电容明显提高。

  炭气凝胶是一种新型轻质纳米级多孔性非晶炭素材料,其孔隙率高达80%~98%,典型孔隙尺寸<50nm,网络胶体颗粒尺寸3~20nm,比表面积高达60~1000m2/g,密度为0.05~0.80g/m3,是一种具有许多优异性能(如导电性、光导性和机械性能等)和广阔的应用前景的新型材料[8]。孟庆函,刘玲[9]等人采用低分子线性酚醛树脂-糠醛为原料通过溶液一溶胶一凝胶途径成功合成了炭气凝胶,结果表明,炭气凝胶电极在0.5mA充放电时电极的比电容为121F/g,充放电效率为95%,具有性能稳定、充放电效率高等优良性能。

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