超級(jí)電容器電極材料科普

1、 超級(jí)電容器電極材料科普超級(jí)電容器主要由電極、集流體、電解質(zhì)和隔膜等4部分組成，其中電極材料是影響超級(jí)電容器性能和生產(chǎn)成本的最關(guān)鍵因素。研究和開(kāi)發(fā)高性能、低成本的電極材料是超級(jí)電容器研發(fā)工作的重要內(nèi)容。目前研究較多的超級(jí)電容器電極材料主要有碳材料、金屬氧化物(或者氫氧化物)、導(dǎo)電聚合物等，而碳材料和金屬氧化物電極材料的商品化相對(duì)較成熟，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。1什么是超級(jí)電容器？超級(jí)電容器(supercapacitors或ultracapacitors)又稱電化學(xué)電容器(electrochemicalcapacitors)，是一種介于二次電池與常規(guī)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件，兼有二次電池能量密度高和常

2、規(guī)電容器功率密度大的優(yōu)點(diǎn)；此外，超級(jí)電容器還具有對(duì)環(huán)境無(wú)污染、效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、安全性高等特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電、信息技術(shù)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。超級(jí)電容器還可以與充電電池組成復(fù)合電源系統(tǒng)，既能夠滿足電動(dòng)車啟動(dòng)、加速和爬坡時(shí)的高功率要求，又可延長(zhǎng)充電電池的循環(huán)使用壽命，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容器的商品化生產(chǎn)，但還存在著價(jià)格較高、能量密度低等問(wèn)題，極大地限制了超級(jí)電容器的大規(guī)模應(yīng)用。超級(jí)電容器主要由電極、集流體、電解質(zhì)和隔膜等4部分組成，其中電極材料是影響超級(jí)電容器性能和生產(chǎn)成本的最關(guān)鍵因素。研究和開(kāi)發(fā)高性能、低成本的電極材

3、料是超級(jí)電容器研發(fā)工作的重要內(nèi)容。目前研究較多的超級(jí)電容器電極材料主要有碳材料、金屬氧化物(或者氫氧化物)、導(dǎo)電聚合物等，而碳材料和金屬氧化物電極材料的商品化相對(duì)較成熟，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。因此，本文將重點(diǎn)介紹碳材料、金屬氧化物及其復(fù)合材料等高性能電極材料的最新研究進(jìn)展以及商品化應(yīng)用前景。-賓電樓一電極-隔JR“電牌液2碳材料作為超級(jí)電容器電極材料的最新研究進(jìn)展1895年133年汁坯澤誅劑番Hlk電專黑電城工業(yè)優(yōu)y_ill-A.la碳材料發(fā)展史碳材料是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的超級(jí)電容器電極材料，主要包括活性炭、模板炭、碳納米管、活性炭纖維、炭氣凝膠和石墨烯等。碳材料具有導(dǎo)電率高、比表面積大、電解

4、液浸潤(rùn)性好、電位窗口寬等優(yōu)點(diǎn)，但其比電容偏低。碳材料主要是利用電極/溶液界面形成的雙電層儲(chǔ)存能量，稱雙電層電容。增大電極活性物質(zhì)的比表面積，可以增加界面雙電層面積，從而提高雙電層電容。碳納米管碳納米管是20世紀(jì)90年代初發(fā)現(xiàn)的一種納導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性、較大的比表面積、適合電解質(zhì)離子遷移的孔隙，以及交互纏繞可形成納米尺度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而曾被認(rèn)為是高功率超級(jí)電容器理想的電極材料。Niu等人最早報(bào)道了將碳納米管用作超級(jí)電容器電極材料的研究工作，他們采用催化熱解法將烴類制成多壁碳納米管薄膜電極，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%的H2SO4電解液中以及在0.001100Hz的不同頻率下，比電容達(dá)到50110F/g，其

5、功率密度超過(guò)了8kW/kg。但是，自由生長(zhǎng)的碳納米管形態(tài)各異、取向雜亂，甚至夾雜伴生有非晶態(tài)碳，難以純化，這就提高了其實(shí)際應(yīng)用的難度。由于活性炭具有穩(wěn)定的使用壽命、低廉的價(jià)格以及大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)基礎(chǔ)，已經(jīng)在商品化超級(jí)電容器生產(chǎn)中被廣泛采用。20世紀(jì)60年代，Becker申請(qǐng)了第1個(gè)關(guān)于活性炭材料電化學(xué)電容器的專利，他在金屬基底上涂覆具有高比表面積的活性炭，然后浸漬在H2SO4溶液中，借助在活性炭孔道界面形成的雙電層結(jié)構(gòu)來(lái)存貯電荷。制備活性炭的原料來(lái)源非常豐富，煤、木材、堅(jiān)果殼、樹(shù)脂等都可用來(lái)制備活性炭粉。原料經(jīng)調(diào)制后進(jìn)行活化，活化方法有化學(xué)活化和物理活化兩種?；瘜W(xué)活化是在500700C的溫度

6、下，采用磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉和氯化鋅等作為活化劑；物理活化通常是指在水蒸氣、二氧化碳和空氣等氧化性氣氛中，在8001200C高溫下，對(duì)碳材料原料進(jìn)行處理。采用活化工藝制備的活性炭孔結(jié)構(gòu)通常具有尺寸跨度較寬的孔徑分布，包括微孔（2nm）、介孔（250nm）和大孔（50nm）。需要指出的是，當(dāng)活性炭比表面積高達(dá)3000m2/g時(shí)，也只能獲得相對(duì)較小的比電容（11口F/cm2），小于活性炭雙電層比電容理論值（1525口F/cm2），這表明并非所有的孔結(jié)構(gòu)都具備有效的電荷積累。雖然比表面積是雙電層電容器性能的一個(gè)重要參數(shù)，但孔分布、孔的形狀和結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電率和表面官能化修飾等也會(huì)影響活性炭材料的電化學(xué)

7、性能。過(guò)度活化會(huì)導(dǎo)致大的孔隙率，同時(shí)也會(huì)降低活性炭的堆積密度和導(dǎo)電性，從而減小活性炭材料的體積能量密度；另外，活性炭表面殘存的一些活性基團(tuán)和懸掛鍵會(huì)使其同電解液之間的反應(yīng)活性增加，也會(huì)造成電極材料性能的衰減。因此，設(shè)計(jì)具有窄的孔分布和相互交聯(lián)的孔道結(jié)構(gòu)、短的離子傳輸距離以及可控的表面化學(xué)性質(zhì)（如表面張力、表面自由能等）的活性炭材料，將有助于提高超級(jí)電容器的能量密度，同時(shí)又不影響其功率密度和循環(huán)壽命。目前商品化超級(jí)電容器電極材料的首選仍然是活性炭，不過(guò)隨著其它新型碳材料（如碳納米管、石墨烯等）的不斷發(fā)展，將來(lái)有可能替代活性炭材料。近些年來(lái)，高度有序碳納米管陣列的研究再次引起關(guān)注，這種在集流體上直

8、接生長(zhǎng)的碳納米管陣列不僅減小了活性物質(zhì)與集流體間的接觸電阻，而且還簡(jiǎn)化了電極的制備工序?；钚蕴拷Y(jié)構(gòu)由于活性炭具有穩(wěn)定的使用壽命、低廉的價(jià)格以及大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)基礎(chǔ)，已經(jīng)在商品化超級(jí)電容器生產(chǎn)中被廣泛采用。20世紀(jì)60年代，Becker申請(qǐng)了第1個(gè)關(guān)于活性炭材料電化學(xué)電容器的專利，他在金屬基底上涂覆具有高比表面積的活性炭，然后浸漬在H2S04溶液中，借助在活性炭孔道界面形成的雙電層結(jié)構(gòu)來(lái)存貯電荷。制備活性炭的原料來(lái)源非常豐富，煤、木材、堅(jiān)果殼、樹(shù)脂等都可用來(lái)制備活性炭粉。原料經(jīng)調(diào)制后進(jìn)行活化，活化方法有化學(xué)活化和物理活化兩種?；瘜W(xué)活化是在500700C的溫度下，采用磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉和氯

9、化鋅等作為活化劑；物理活化通常是指在水蒸氣、二氧化碳和空氣等氧化性氣氛中，在8001200C高溫下，對(duì)碳材料原料進(jìn)行處理。采用活化工藝制備的活性炭孔結(jié)構(gòu)通常具有尺寸跨度較寬的孔徑分布，包括微孔（2nm）、介孔（250nm）和大孔（50nm）。需要指出的是，當(dāng)活性炭比表面積高達(dá)3000m2/g時(shí)，也只能獲得相對(duì)較小的比電容（11口F/cm2），小于活性炭雙電層比電容理論值（1525口F/cm2），這表明并非所有的孔結(jié)構(gòu)都具備有效的電荷積累。雖然比表面積是雙電層電容器性能的一個(gè)重要參數(shù)，但孔分布、孔的形狀和結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電率和表面官能化修飾等也會(huì)影響活性炭材料的電化學(xué)性能。過(guò)度活化會(huì)導(dǎo)致大的孔隙率，同時(shí)

10、也會(huì)降低活性炭的堆積密度和導(dǎo)電性，從而減小活性炭材料的體積能量密度；另外，活性炭表面殘存的一些活性基團(tuán)和懸掛鍵會(huì)使其同電解液之間的反應(yīng)活性增加，也會(huì)造成電極材料性能的衰減。因此，設(shè)計(jì)具有窄的孔分布和相互交聯(lián)的孔道結(jié)構(gòu)、短的離子傳輸距離以及可控的表面化學(xué)性質(zhì)（如表面張力、表面自由能等）的活性炭材料，將有助于提咼超級(jí)電容器的能量密度，同時(shí)又不影響其功率密度和循環(huán)壽命。目前商品化超級(jí)電容器電極材料的首選仍然是活性炭，不過(guò)隨著其它新型碳材料（如碳納米管、石墨烯等）的不斷發(fā)展，將來(lái)有可能替代活性炭材料。石墨烯英國(guó)科學(xué)家Geim等人于2004年發(fā)現(xiàn)了一種由碳原子組成的單層石墨片，即石墨烯(graphene

11、。石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，而且還異常牢固堅(jiān)硬。作為單質(zhì)，它在室溫下傳輸電子的速度是已知的所有導(dǎo)體中最快的。碳納米管和石墨烯分別作為一維納米材料和二維納米材料的代表，二者在結(jié)構(gòu)和性能上具有互補(bǔ)性。從目前來(lái)看，石墨烯具有更加優(yōu)異的特性，例如具有高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率(5000W/mK)、高載流子遷移率(2X105cm2/Vs)、自由的電子移動(dòng)空間、高強(qiáng)度和剛度(楊氏模量約為1.0TPa)、高理論比表面積(2600m2/g)等。因此石墨烯在單電子器件、超靈敏傳感器、電極材料、藥物載體等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。利用石墨烯材料的高比表面積和高導(dǎo)電率等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可望獲得價(jià)格低廉和性能優(yōu)越的下一代高性能

12、超級(jí)電容器電極材料。3金屬氧化物作為超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展金屬氧化物主要是通過(guò)電極活性物質(zhì)在電極表面及近表面發(fā)生快速氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存能量。其工作原理與化學(xué)電源相同，但充放電行為與常規(guī)電容器類似，故稱法拉第贋電容。法拉第贋電容具有相對(duì)較高的容量，是雙電層電容的10100倍。加快電極活性物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)速率和增大電極活性物質(zhì)的利用率，是提高金屬氧化物超級(jí)電容器比電容的有效途徑。氧化釕材料用作超級(jí)電容器電極材料的氧化釕EM圖氧化釘材料具有比電容高、導(dǎo)電性好，以及在電解液中非常穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是目前性能最好的超級(jí)電容器電極材料。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室在1995年就報(bào)道了無(wú)定形水合氧化釘比電容高達(dá)768

13、F/g,基于電極材料的能量密度為26.7Wh/kg。目前，美國(guó)已將氧化釘材料用于航空航天和軍事科學(xué)等重要領(lǐng)域。但是釘資源有限，價(jià)格十分昂貴，難以普遍應(yīng)用。為進(jìn)一步提高性能和降低成本，國(guó)內(nèi)外均在積極尋找其它價(jià)格較為低廉的金屬氧化物電極材料。已有研究表明，二氧化錳、氧化鉆、氧化鎳、氧化鐵和氧化釩等具有與氧化釘類似的電化學(xué)性能，其中二氧化錳為目前研究較多的電極材料之一。二氧化錳材料圖2二氧化鎰制備的極片的SEM圖二氧化錳材料具有價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好以及電化學(xué)工作窗口寬（在水溶液體系中達(dá)到1000mV以上，與氧化釘電極材料相當(dāng)）等顯著優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，二氧化錳基超級(jí)電容器可以采用中性電解質(zhì)溶液（如Na

14、2SO4水溶液、KCl水溶液等），不像其它金屬氧化物或碳基超級(jí)電容器必須采用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿的電解質(zhì)，這就使二氧化錳基超級(jí)電容器的組裝及使用更加安全和方便。此外，將納米技術(shù)應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域，利用納米二氧化錳電極材料高的比表面積、短的離子擴(kuò)散距離和電子輸運(yùn)距離，可以大大提高其電化學(xué)活性。1999年，Goodenough等人首次研究了無(wú)定型二氧化錳電極材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用。他們采用共沉淀法制備出高比表面積的無(wú)定型二氧化錳材料（303m2/g），在2mol/L的KCl電解液中，比電容達(dá)203F/g。4復(fù)合材料作為超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展將復(fù)合材料用于超級(jí)電容器是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，通過(guò)利

15、用復(fù)合材料各組分之間的協(xié)同效應(yīng)來(lái)提高超級(jí)電容器的綜合性能。復(fù)合材料主要有碳/金屬氧化物復(fù)合材料、碳/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料以及金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料等。針對(duì)碳材料（如石墨烯材料）比電容低的缺點(diǎn)，對(duì)其表面用具有大的法拉第贋電容的金屬氧化物或者導(dǎo)電聚合物進(jìn)行修飾，可使其比電容大幅度提高；而金屬氧化物（如二氧化錳材料）的導(dǎo)電性通過(guò)復(fù)合后，其性能同樣得到明顯提高，同時(shí)還相應(yīng)改善了功率特性。石墨烯復(fù)合材料Wang等人采用水熱晶化法在石墨烯上制備出Ni（OH）2納米片，在1mol/L的KOH電解液中，當(dāng)恒流充放電電流密度為2.8A/g時(shí)，基于整個(gè)復(fù)合材料質(zhì)量的比電容可達(dá)935F/g，而基于Ni（OH）

16、2質(zhì)量的比電容則高達(dá)1335F/g（電位窗口為-0.050.45V,參比電極為Ag/AgCl）。他們還研究了不同制備條件和石墨烯前體含量氧的差異對(duì)復(fù)合材料比電容的影響，當(dāng)掃描速度為40mV/s時(shí)，采用在石墨烯表面原位生長(zhǎng)Ni(OH)2、石墨烯與Ni(OH)2機(jī)械混合以及在氧化石墨烯表面上生長(zhǎng)Ni(OH)2等方法，制備出的復(fù)合材料的比電容分別為877F/g?339F/g和297F/g。上述結(jié)果表明，高導(dǎo)電性的石墨烯有助于宏觀團(tuán)聚狀Ni(OH)2與集流體之間實(shí)現(xiàn)快速而有效的電荷輸運(yùn)，同時(shí)伴隨著能量的快速存儲(chǔ)和釋放。二氧化錳復(fù)合材料二氧化磁板:導(dǎo)電聚合物jfJS轉(zhuǎn)*炷F廠十-宀八“1rh-圖3二飯化

17、謚中插層導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)示意圖由于二氧化錳屬于半導(dǎo)體材料，與貴金屬氧化物相比，導(dǎo)電性較差，嚴(yán)重影響了二氧化錳材料的電化學(xué)性能。因此，研究人員多采用摻雜或者復(fù)合的手段來(lái)提高二氧化錳材料的導(dǎo)電性。碳納米管、介孔碳以及最近出現(xiàn)的石墨烯等碳材料與二氧化錳復(fù)合的研究工作已有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道；此外，導(dǎo)電聚合物與二氧化錳的復(fù)合也引起了極大關(guān)注。這種有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料能充分發(fā)揮兩類材料的各自優(yōu)勢(shì)，極大地改善了電極的綜合性能。5展望超級(jí)電容器作為一種新興的儲(chǔ)能元件具有極其廣闊的市場(chǎng)前景，而高性能電極材料是當(dāng)前超級(jí)電容器研究的重點(diǎn)。超級(jí)電容器要想滿足電動(dòng)汽車和可再生能源發(fā)電等對(duì)高能量/高功率密度的需求，必須使電極材料具有比電容高、比表面積大、導(dǎo)電率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和成本低等特點(diǎn)?；钚蕴康目讖娇刂票容^難，比表面積利用率低；碳納米管的價(jià)格比較昂貴，難以純化，從而極大地影響了碳納米管在超級(jí)電容器中的實(shí)際應(yīng)用；石墨烯是一種新型的碳材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和開(kāi)放的表面結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能特性優(yōu)異。如能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備，并降低成本、性能可控，則石墨烯電極材料將具有誘人的應(yīng)用前景，并可望在不久的將來(lái)走