碳基双电层电容器电极材料的研究进展
超级电容器电极材料的研究进展
2011年第3期 新疆化工 11 超级电容器电极材料的研究进展摆玉龙（新疆化工设计研究院，乌鲁木齐830006）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。
关键词：超级电容器；电极材料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)℃。
碳材料的双电层电容
碳材料的双电层电容引言：碳材料的双电层电容是一种重要的电化学现象，它在能源存储和转换等领域有着广泛的应用。
本文将介绍碳材料的双电层电容的基本原理、结构特点以及应用前景。
一、基本原理：碳材料的双电层电容是指在碳材料电极表面形成的电化学双电层现象。
当碳材料与电解质接触时，电解质中的正负离子会在碳材料表面形成一个电荷分布层，称为电荷双层。
电解质中的正离子会吸附在碳材料表面形成一个正电荷层，而负离子则会吸附在这个正电荷层上形成一个负电荷层。
这些吸附的离子形成的电荷层与碳材料自身的电荷构成了一个电容器，即双电层电容。
二、结构特点：碳材料的双电层电容具有以下几个结构特点：1. 大比表面积：碳材料具有丰富的孔隙结构和高比表面积，能够提供更多的吸附位点，从而增加电荷分布层的面积，提高双电层电容的容量。
2. 优良的导电性：碳材料具有良好的导电性，使得电荷在碳材料表面能够快速传输，提高电容器的响应速度。
3. 调控孔径结构：通过调控碳材料的孔径结构，可以调节电解质中离子的吸附和扩散行为，从而优化双电层电容的性能。
三、应用前景：碳材料的双电层电容具有广泛的应用前景，主要体现在以下几个方面：1. 超级电容器：碳材料的双电层电容具有高能量密度和高功率密度的特点，可以用于制备高性能的超级电容器，用于储能和释放能量。
2. 锂离子电池：将碳材料的双电层电容与锂离子电池相结合，可以提高电池的功率性能和循环寿命，实现快速充放电。
3. 储能技术：碳材料的双电层电容可以用于储能技术，如电动车辆的制动能量回收、太阳能和风能等可再生能源的储能等。
4. 传感器：碳材料的双电层电容对于环境中的离子和分子具有很高的敏感性，可以用于制备高灵敏度的传感器，应用于环境监测、生物传感等领域。
结论：碳材料的双电层电容是一种重要的电化学现象，具有丰富的孔隙结构、优良的导电性和调控孔径结构的特点。
它在超级电容器、锂离子电池、储能技术和传感器等领域有着广泛的应用前景。
双电层电容器植物基活性炭研究进展
双电层电容器植物基活性炭研究进展潘跃德;赵乾瑞;高利冬;郭力铭;李刚;王开鹰【期刊名称】《太原理工大学学报》【年(卷),期】2022(53)6【摘要】双电层电容器(EDLCs)是一种具有高功率密度、长循环寿命和宽温度区间的储能器件,在交通运输、微电网和物联网等领域具有广阔的应用前景。
双电层电容器的正负极材料均采用一种具有发达孔隙结构、高比表面积和高振实密度的碳材料——活性炭。
植物因其丰富性、多样性和再生性等优点,被认为是最具潜力的活性炭制备原材料。
对用于EDLCs的植物基活性炭进行了综述。
首先简介EDLCs的性能优势以及基本工作原理和应用领域,并将应用于活性炭制备的植物原料分为农林植物、水生植物、果壳和植物基分子四类。
然后,讨论高性能EDLCs对活性炭的基本要求,以及活性炭的制备方法和原理。
其次,对植物基活性炭的制备和在EDLCs 的应用进展进行了阐述,并讨论了植物基活性炭的催化石墨化相关进展。
最后是进行总结,并展望了植物基活性炭应用于EDLCs的广阔前景和进一步研究方向。
【总页数】10页(P979-988)【作者】潘跃德;赵乾瑞;高利冬;郭力铭;李刚;王开鹰【作者单位】太原理工大学材料科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TB321【相关文献】1.双电层电容器用煤基活性炭的制备与电化学性能表征2.双电层电容器用中微双孔活性炭的研究进展3.双电层电容器用新型无灰煤（HyperCoal）基活性炭的制备4.双电层电容器用沥青焦基活性炭的制备工艺条件对其孔结构及电化学性能的影响5.电化学双电层电容器电极材料——豌豆荚基活性炭的制备与表征因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于碳材料的超级电容器电极材料的研究
背景：
碳材料是一种非金属材料，具有高导电性、高化学稳定性、易于合成等优点。 在超级电容器领域，碳材料已被广泛应用于电极材料的制备。例如，活性炭、碳 纳米管、石墨烯等碳材料具有高比表面积、良好的电化学性能和机械性能，成为 超级电容器电极材料的优选。
研究现状：
目前，碳材料在超级电容器电极材料领域的研究主要集中在提高比电容、改 善循环寿命和降低内阻等方面。然而，仍存在一些问题，如比电容和能量密度有 待进一步提高、成本较高、大规模生产难度大等。
3、制造成本较高：目前，碳材料的制备方法相对复杂，需要使用一些高纯 度原料，导致成本较高。因此，发展低成本、大规模制备碳材料的方法是推动其 应用的关键。
针对以上问题，未来研究可从以下几个方面展开：
1、深入探讨碳材料的物理和化学性质，及其在充放电过程中的反应机制， 为提高比电容和能量密度、循环寿命提供理论指导。
内容2：
尽管碳材料具有诸多优点，但在超级电容器电极材料应用中仍存在一些问题 和不足。例如：
1、比电容和能量密度仍有待提高：尽管碳材料的比表面积较大，但目前超 级电容器的比电容和能量密度仍较低，需要进一步优化碳材料的性能。
2、循环寿命有待提高：碳材料在充放电过程中可能发生结构变化、电化学 反应不稳定性等问题，导致循环寿命较短。因此，提高碳材料的循环寿命是亟待 解决的问题之一。
内容1：
碳材料作为超级电容器电极材料的优势和特点主要体现在以下几个方面：
双电层电容器活性炭电极的优化
结论
通过对固体活性炭进行改性研究,活性炭的粒 度及比表面积发生变化.由检测结果可知,其电化 学性能有了较大改善,活性炭电极材料的晶体结 构及孔径分布直接影响其比电容量和充放电特性. 活性炭比表面积增加,比电容量增大,大、中孔可 以减小电容内阻,在微孔表面快速形成双电层.实 验证明,结构细化、孔径分布合理的活性炭材料 具有高比电容和良好的电化学特性,有广阔的开 发空间
结果与讨论 （一）炭材料比表面积、孔结构和表面性质 图 1 为活性炭原样与改性后炭样 AC-3、AC-5和 AC-6 的 N2吸附-脱附等温线. 所有吸附等温线均为典 型的 I 型等温线, 脱附曲线在相对压力(p/p0)0.4 以上 时出现滞后, 说明样品的孔径分布较宽, 有一定数量的 中孔存在.
虽然改性炭比表面积有所下降, 但是比容量反而增加了, 说明表 面积大小不是决定比电容的唯一因素, 表面性质起了很大的作用. 上 节 FTIR 表征显示, 改性后炭表面化学发生了较大的变化, —COO— 含量减少, 同时引入了一些活性官能团, 如羟基、氨基等. 这些官能 团增加了炭表面的极性, 改善了表面亲水性和湿润性, 因而大大提高 了炭表面对电解质离子的吸附, 形成双电层的有效面积大幅度提高; 另外, 这些表面官能团在充放电过程中可能发生可逆氧化还原反应, 形成法拉第赝电容. 两者的综合结果使改性炭材料的比容量大大提 高.
结 论
分别用 HNO3、H2O2、NH3· 2O 对普通 H 活性炭材料进行表面改性处理, 结果使活性 炭比表面积略有下降, 降低的程度随改性试 剂浓度的增大而增大;平均孔径减小甚微. 炭 材料的表面化学改性可以改善炭材料的亲水 性, 有效提高其电化学性能
参考文献：
[1]李生娟，王树林等，双电层电容器中的活性炭电极的 优化.化工学报[J].2006,57(7）：1617-1621. [2]刘亚菲，胡中华等，活性炭电极材料的表面改性和性 能.物理化学学报[J].2008,24(7):1143-1148
碳基电池电容研究进展
第43卷第4期燕山大学学报Vol.43No.42019年7月Journal of Yanshan UniversityJuly 2019 文章编号:1007⁃791X (2019)04⁃0283⁃08碳基电池电容研究进展赵玉峰1,2,*,黄士飞1,2(1.燕山大学环境与化学工程学院,河北秦皇岛066004;2.燕山大学河北省应用化学重点实验室,河北秦皇岛066004) 收稿日期:2018⁃07⁃17 责任编辑:王建青基金项目:河北省杰出青年基金资助项目(B2017203313);河北省高校百名优秀创新人才支持计划资助项目(SLRC2017057);人社部归国留学人员择优资助项目(CG2014003002);先进材料与技术国家重点实验室开放基金资助项目(2017⁃KF⁃14) 作者简介:*赵玉峰(1977⁃),女,河北卢龙人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为先进储能材料的设计制备及其应用,Email:yufengzhao@㊂摘 要:电池电容(BSCs)是超级电容器与二次离子电池的混合体㊂因兼具超级电容器快速充放电㊁长循环寿命和电池高容量的特点而得到了广泛的关注㊂电池电容有望成为电动/混动车辆的终级动力源㊂作为电极材料,碳材料具有较大的比表面积㊁丰富的微孔/介孔结构㊁良好的导电性和稳定的化学及热力学稳定性,已广泛地应用在了电池电容当中㊂本文简单介绍了电池电容器的工作原理及电解液的发展现状,并以几种常用碳材料(活性炭㊁碳纳米管㊁石墨烯)为主线分别对BSCs 电极材料的合成㊁全电池的构筑㊁全电池的性能等方面的研究进展进行了详细的总结,并对BSCs 未来的发展热点和趋势进行了展望㊂关键词:电池电容;碳材料;合成;研究进展中图分类号:O646.54;TM919 文献标识码:A DOI :10.3969/j.issn.1007⁃791X.2019.04.0010摇引言随着人们对可便携设备㊁电动/混动车辆(EV /HEV)的需求不断增长,对环境友好㊁高性能㊁低成本先进储能系统的发展研究迫在眉睫㊂超级电容器(SCs)和二次离子电池(SBs)是目前很有应用前景的两种储能器件[1⁃4]㊂其中,传统SCs 具有寿命长(可达100000次)㊁功率密度高(可达10kW /kg)的特点,但能量密度却远远达不到要求(一般小于10Wh /kg)[5]㊂相比于超级电容器,二次离子电池具有较高的能量密度(150~200Wh /kg),但功率密度比较低(小于1kW /kg),循环稳定性比较差(小于1000圈)[6]㊂两种储能器件均不能同时满足高能量密度和高功率密度的要求㊂因此兼具SCs 和SBs 优点的一种混合型储能器件BSCs 应运而生(如图1所示)[7⁃9]㊂BSCs又叫做离子电容器,属于新兴的功率补偿和储能装置范畴[10],早在2000年此类混合储能器件就受到了人们的关注㊂BSCs 是由电池型材料和超级电容器型电极材料在含锂㊁钠等电解液中分别以电化学氧化还原反应和形成双电层来进行储能的混合器件,具有较高的功率和能量密度㊁稳定的长循环性能㊁较低的成本等优点㊂电池电容具有广阔的市场空间,未来其将会在新能源交通领域㊁电子产品领域㊁航空航天和能量储存等领域大显身手㊂此外碳材料像活性炭㊁碳纳米管和石墨烯等具有较高的比表面积㊁良好的化学稳定性和丰富的微孔/介孔,已被广泛地应用在了BSCs 当中,并展现出了优异的电化学性能㊂然而,如何通过现有方法合成出具有更好性能的正负极材料及如何对其进行合理的匹配等,仍是目前进一步提高BSCs 的性能所面临的巨大挑战㊂本文简单介绍了电池电容器的工作原理及电解液的发展现状,并以几种常用碳材料(活性炭㊁碳纳米管㊁石墨烯)为主线分别对BSCs 电极材料的合成㊁全电池的构筑㊁全电池的性能等方面的研究进展进行了详细的总结,并对BSCs 未来的发展热点和趋势进行了展望㊂284 燕山大学学报2019图1 各种储能器件比能量与比功率的关系图Fig.1 Energy density and power density of various energystorage devices(Ragoneplot)1 电池电容储能机理1.1 储能机理简介超级电容器可以分为双电层型超级电容器(EDLCs)㊁赝电容型超级电容器(PSCs)和锂/钠离子型电池电容器(BSCs)(如图2所示)㊂EDLCs 主要是通过在电极材料表面形成双电层对离子吸脱附来进行储能的,储能过程不涉及法拉第反应,是一种可逆的物理储能过程[11],电极材料一般为活性炭㊁碳纳米管和石墨烯等多孔碳材料;赝电容超级电容器则是通过电解质离子在电极表面或体相中的二维或准二维空间上进行快速可逆的氧化还原反应或化学吸附/脱附,产生和电极充电电位有关的电容来进行储能的[12],电极材料一般为金属氧化物/氢氧化物和导电聚合物;电池电容则是由电化学电容器型电极材料和离子型电极材料在含该种离子电解液,如锂㊁钠等中分别以电化学氧化还原反应(离子嵌入㊁脱出)和形成双电层在正负电极分别进行储能的混合器件[3]㊂其中,EDLCs 具有超高的功率密度,但是能量密度却十分有限, PSCs虽然能量密度比EDLCs有所提升,但仍不能满足高能量密度要求㊂而传统离子电池材料虽然具有较高的能量密度但功率密度却很低㊂相比而言,BSCs不仅具有较高能量密度,而且率密度也相对比较高,是一种潜在的储能装置㊂1.2 储能特性器件的能量密度和功率密度可以由式(1)~ (2)来进行计算:E=1/2CV2,(1)P=V2/4R,(2)其中,E(Wh/kg)能量密度,P(W/kg)是功率密度, C(F/g)是全电池的比容量,V(V)是充放电电压范围,R(Ω)是等效串联电阻(ESR)㊂由式(1)~(2)可以看出器件的功率密度和能量密度都与操作电压成正比㊂因此,提高操作电压可以极大地增加器件的功率密度和能量密度㊂BSCs两电极材料因储能机理不同而具有不同的对锂㊁钠电势,匹配后可以达到较高的操作电压㊂例如,EDLCs中活性炭电极材料在有机电解液系统电压一般不超过2.7V (超过2.7V将会对器件产生不可逆的伤害并会产生一系列副反应等问题)㊂而BSCs在离子电解液中操作电压则可高达4.0V,因此,能量密度要比EDLCs高出3倍以上[13];此外,电解液对操作电压也具有很大的影响,一般有机体系为2.5~3.0V,离子型电解液可超过4.0V,要远高于水系(1.0~ 1.5V);另外,比容量C和ESR也是影响能量密度和功率密度的重要因素㊂C主要与材料的孔径分布(PSD)和比表面积(SSA)直接关,而ESR则与材料和电解液的导电性㊁相界面接触电阻等相关;最后,由于离子在电池型材料中的嵌入脱出速度迟缓于双电层电极界面吸脱附,所以,不同的正负极材料一般具有不同的电荷储存动力学,导致在小电流下得不到较高的能量密度,大电流密度下又会造成严重衰减[14⁃17]㊂制备具有较高离子传输和高导电性的电池型电极材料,合理地进行匹配正负极材料,是对BSCs的性能提升的有效方法㊂其中正负极的质量匹配公式为m+/m-=C-ΔE-/C+ΔE-,(3)式中,m+㊁C+㊁ΔE+和m-㊁C-㊁ΔE-分别为在充放电过程当中两电极材料的质量㊁比容量和电压范围㊂综上所述,想要得到兼具高能量密度和高功率密度的BSCs,上述因素都需要考虑进去㊂图2 不同类型储能器件的储能机理图Fig.2 Energy storage mechanism of different typeenergy storage devices第4期赵玉峰等 碳基电池电容研究进展2852 电解液电解液(水系㊁有机和离子电解液)是电池电容中的重要组分㊂一般而言水系电解液(0.1~6M的X2SO4㊁XOH和XNO3等(X包括Li㊁Na㊁K 等))的粘度低㊁离子导电率高,操作电位可达1V 左右[18]㊂相比而言,非水系电解液(有机电解液㊁离子电解液)可操作电位一般会超过3.0V,电解质主要包括LiClO4㊁LiPF6㊁LiBF4㊁LiAsF6㊁LiBOB㊁Et4NBF4㊁NaClO4㊁NaPF6等金属盐㊂其较高的操作电压,可以使器件拥有更高的电位窗口从而使能量密度得以大幅的提升,然而其较高的粘度和比较低的导电性,会在一定程度上对器件的功率密度产生产生限制㊂作为电极之间离子传输的载体,电解液的性质直接影响器件的整体性能㊂特别是在锂/钠离子电池充放电过程当中,材料表面会形成一层固态电解质膜(SEI膜)来保护不稳定的电极材料和阻止电解液进一步分解㊂但是SEI 的形成会消耗电解质中的锂/钠离子,使电池性能不断衰减㊂所以,SEI的形成量宜减小化㊂对电解液选择将会直接影响SEI的形成㊁不可逆性容量和循环稳定性等㊂此外器件的能量密度和功率密度也在很大程度上取决于电解液的可操作电位大小和离子传输能力㊂因此,理想的电解液应具备以下优点[19]:1)导电性高;2)电化学稳定性强;3)溶剂离子少;4)粘度和毒性低;5)成本低;6)纯度高等㊂3 电极材料研究现状电池电容电极材料主要包括碳材料(石墨㊁活性炭㊁碳纳米管㊁石墨烯㊁硬碳等)㊁过渡金属氧化物(TiO2㊁NiO㊁MnO2㊁V2O5㊁Fe3O4等)㊁硅基材料(Si/C㊁SiO2等)㊁含电解质离子金属氧化物(Li4TiO4㊁LiMnO4㊁LiCoO2㊁LiFePO4㊁LiTi2(PO4)3㊁LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2,Na2Fe2(SO4)3㊁Na0.35MnO2㊁Na3V2(PO4)3㊁Na2Ti3O7)等㊂本文将以活性炭㊁碳纳米管㊁石墨烯等碳材料为主线对电池电容材料的合成㊁器件的构筑及其性能等方面进行详细阐述㊂3.1 活性炭(AC)基电池电容AC是一种具有大量微孔㊁介孔和大孔的多孔结构材料,一般具有较大的比表面积(SSA)㊁较多的表面官能团㊁易调节的形貌结构㊁良好的导电性和非常好的化学稳定性㊂AC是BSCs中使用最为广泛的一种电极材料,特别是较大的SSA和和大量的含氧官能团是决定BSCs高比容量和循环性能的重要因素㊂目前,已有很多研究表明活性炭及其衍生物在BSCs中具有优异的电化学性能㊂例如,Babu等[20]以稻壳作为碳源分别利用KOH 和H3PO3做为活化剂制备出了活性炭材料,并分别将其作为正极,Li4Ti5O12(LTO)作为负极组装了BSCs㊂在1M LiPF6(体积比EC∶DMC=1∶1)进行测试,结果表明两种BSCs的最大能量密度分别达到了57Wh/kg和37Wh/kg㊂其中KOH活化所得活性炭组成BSCs在功率密度为4300W/kg时能量密度仍可以保持为45Wh/kg㊂在电流密度为2A/g循环2000圈后容量保持率为92%㊂Choi 等[21]则利用商业AC作为正极,LTO和PVA制备的活性炭复合纳米管作为负极,1M LiPF6(体积比EC∶DMC=1∶1)作为电解液组装了BSCs㊂该BSCs最大能量密度达到了90Wh/kg(50W/kg),在6kW/kg的功率密度时能量密度仍可以达到32 Wh/kg㊂氮掺杂可以提高活性炭的电化学性能,Li 等[22]利用农业废弃物的玉米芯作为前驱体,以氨气作为氮源,制得比表面积高达2800m2/g以上的氮掺杂活性炭,将其作为锂离子电池电容的正极材料,以Si/C材料作为负极材料,创新性地研发出高能量密度的锂离子电池电容㊂该氮掺杂活性炭正极材料在高能量电池电容中起着决定性作用,该新型BSCs在1747W/kg功率密度下,能量密度高达230Wh/kg(基于活性材料计算),而在141Wh/kg能量密度(基于活性材料计算)下,其功率密度可高达30kW/kg,循环寿命达到8000次以上㊂该研究成果为研发下一代高性能储能技术提供了新的科学视角,可能具有巨大的商业化应用潜力㊂LiMn2O4㊁LiCoO2和LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2等也都可以作为BSCs的正极材料㊂LiCoO2// AC[23]㊁LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2//AC[24]和LiMn2O4// AC三种体系能量密度接近㊂但LiCoO2//AC体系具有较好的功率性能,但循环稳定性比较差, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2//AC体系则与LiCoO2//AC相反,相比而言LiMn2O4//AC体系综和性能最佳㊂Hao等[25]制备出了一种纳米结构Li2Mn4O9,将其286 燕山大学学报2019作为正极与AC组装成BSCs㊂在2M Li2NO3中进行测试,结果表明,能量密度达到了22.8Wh/kg 在功率密度为100W/kg时,当功率密度达到1000W/kg时能量密度仍然可以保持为16.7Wh/kg㊂Li等[26]利用LiMn2O4与石墨烯的混合物作为正极,AC作为负极,在1M LiPF6电解液中进行测试㊂当功率密度为12.6W/kg时能量密度达到了38.8Wh/kg,功率密度达到186.5W/kg时能量密度可保持为23.6Wh/kg,在2C电流密度下循环500圈容量可保持在90.4%㊂此外过渡金属氧化物在BSCs中应用也比较广泛㊂例如,Mosqueda等[27]以MnO2为正极,AC为负极,在5M LiNO3中比容量达到了145F/g㊂Brousse 等[28]组装了AC//TiO2型BSCs,能量密度为45~ 80Wh/kg,功率密度则可达240~420W/kg㊂AC//石墨锂离子电池电容也具有比较优异的性能㊂Khomenko等[29]利用商业AC和石墨粉分别作为正负极组装了AC//石墨锂电池电容,在1M LiPF6电解液中,能量密度高达103.8Wh/kg,最高功率密度也达到了11kW/kg㊂除了锂离子电池电容外,由于近些年来对钠离子电池研究逐渐深入,钠离子电池电容的发展也受到了关注,在锂离子电池电容领域,生物质碳因为丰富的杂原子掺杂,获得了更好的电容性质,同样的概念也适用于钠离子电池电容领域㊂Wang等[30]通过使用花生皮为原料,制备了适合于钠离子电池电容的电极材料,正极碳化并活化,负极仅仅碳化,组装的钠离子电池电能量密度为45Wh/kg,功率密度为12kW/kg㊂Li等[31]组装了AC//Na2Ti3O7准固态钠离子电池电容,使用钠离子导电凝胶聚合物作为电解质,设计的器件还具有3000次循环的循环稳定性,容量保持率约为86%,在不同的弯曲条件下没有明显的容量损失㊂虽然BSCs具有较高的功率密度和能量密度,但是不同正负极材料具有不同的储能机理,电池型材料一般会造成离子传输动力学延迟,导致大功率密度下能量密度衰减严重[14⁃15,17]㊂因此当AC作为正极材料时,电池型负极材料应具有较快的离子传输性能和良好的导电性㊂混合金属氧化物具有比单一金属氧化物更高的导电性和较高的容量[32]㊂ZnMn2O4(ZMO)理论比容量达到了784mAh/g,但是导电性比较差㊁嵌锂时体积膨胀比较大㊂将材料二维化可以解决体积膨胀和离子传输慢的问题,与碳材料进行复合则可以解决导电性差问题㊂Li等[33]制备了一种高氮含量的AC并将其作为正极,将所制备的ZMO⁃graphene(ZMO⁃G)二维混合纳米片作为负极,以1M LiPF6作为电解液组装了BSCs㊂该BSCs展现出了202.8Wh/kg(180W/kg)的超高能量密度和21kW/kg(98Wh/kg)的功率密度㊂6A/g的电流密度下循环5000圈容量可保持在86.6%㊂不同AC基BSCs的电化学性能对比如表1所示㊂表1 不同AC基BSCs的电化学性能对比Tab.1 Comparison of electrochemical performance of different BSCs system based on ACs正极//负极电压窗口/V电解液最大能量密度最大功率密度kW/kg循环保持率/%AC//LTO[20]0~3.01M LiPF657Wh/kg9.792(2000圈),2A/g AC//LTO⁃AC[21]0.5~3.51M LiPF690Wh/kg6NACs//Si/C[22]2~4.51M LiPF6230Wh/kg3076.3(8000圈),1.6A/g LiCoO2//AC[23] 3.0~4.01M Li2SO445.9F/g LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2//AC[24] 2.0~4.01M Li2SO4298F/gLi2Mn4O9//AC[25]0~1.62M Li2NO322.8Wh/kg198(4000圈) LiMn2O4/Graphene//AC[26]0~2.31M LiPF638.8Wh/kg0.186590.6(500圈)2C MnO2//AC[27]0~1.01M Li2SO447Wh/kgAC//TiO2[28] 1.4~1.81M LiPF645~80Wh/kg0.24~0.42AC//石墨[29] 1.5~4.51M LiPF6103.8Wh/kg1186(10000圈)碳纳米片//AC[30]0~4.01M NaClO445Wh/kg1282(3000圈),5A/g AC//Na2Ti3O7[31]0.5~3.5NaClO4gel polymer33.2Wh/kg11.286(3000圈),3.2A/g AC//ZnMn2O4⁃graphene[33] 1.0~4.01M LiPF6202.8Wh/kg2186.6(5000圈)第4期赵玉峰等 碳基电池电容研究进展2873.2 碳纳米管(CNT)基电池电容碳纳米管(CNT)是一种一维碳材料,具有良好的导电性和离子传输性能㊂CNT是提高电池电容倍率性能的理想材料,同时也可以作为负极应用在BSCs中㊂近年来有研究表明CNT在BSCs 中也具有优异的电化学性能㊂Zou等[34]以MWCNT作为正极,所合成的LTO纳米阵列作为负极,1M LiPF6作为电解液组装了BSCs,并在0~ 3.0V电压下进行测试㊂测试结果表明最大体积能量密度和功率密度分别达到了4.38mWh/cm3和565mV/cm3,在0.65mA/cm2电流密度下循环3000圈仍可以保持为92%㊂Wang等[35]则以MWCNT作为正极,所合成的TiO2⁃B纳米线作为负极,在1M LiPF6中以10C的倍率进行测试(0~ 2.8V)得到了12.5Wh/kg的能量密度㊂这一数值接近于AC//LTO(10~13Wh/kg),但远高于所组装CNT//CNT(6.1Wh/kg)双电层电容器㊂单一碳纳米管比表面积一般比较小,不能满足高容量要求,将其与石墨烯复合后比表面积会有明显提升㊂因此,Salvatierradneg等[36]利用二元催化剂作为模板通过CVD方法制备出了以共价键相结合的graphene⁃CNT毯状材料㊂因为两者通过共价键结合使材料的导电性㊁离子传输性能等有了明显提高㊂Salvatierradneg等利用该材料同时作为BSCs的正负极材料,在1M LiPF6中进行测试(电压窗口为0.01~4.3V),结果表明最大能量密度高达121Wh/kg,最大功率密度也达到了20500 W/kg(29Wh/kg),同时该BSCs展现出了优异的循环性能(10000圈保持率为89%)㊂3.3 石墨烯(GP)基电池电容石墨烯具有超高的SSA㊁丰富可调的孔隙结构㊁出色的导电率㊁良好的化学/热力学稳定性和较高的机械强度㊂石墨烯可谓是储能领域的明星,在诸多储能领域都展现出了无可替代的优异性能㊂石墨烯的理论比容量达到了744mAh/g (550F/g),对多种离子都展现出了出色的传输性能和传荷性能㊂目前石墨烯/RGO等材料作为正/负极在BSCs领域得到了广泛的应用㊂Ye等[37]利用LTO/C和宏观3D多孔石墨烯分别作为负极和正极材料组装了BSCs㊂当正负极材料质量比为2∶1时,在1M LiPF6电解液中控制操作窗口为1.0~3.0V进行了相应测试㊂结果表明,所组装BSCs最大比容量达到了72Wh/kg(650W/kg),当功率密度达到8.3kW/kg时比容量仍可达到40Wh/kg,在10A/g电流密度下循环1000圈后容量可保持为65%㊂实验证明该BSCs是一个具有较高电化学性能的匹配体系㊂Leng等[38]将LTO 和石墨烯的复合物作为负极(LTO⁃G),三维石墨烯(3DG)作为正极在1M LiPF6中进行性测试达到了95Wh/kg(45W/kg)的能量密度,当功率密度达到3000W/kg时仍可以保持为32Wh/kg,在15C倍率下循环500圈容量保持率为87%㊂对石墨烯进行掺杂改性可以大大地提高其电化学性能,尤其是在水系电解液中㊂Aswathy等[39]利用LiNi0.5Mn1.5O4作为正极,氮掺杂石墨烯(NDG)为负极,3M LiNO3作为电解液组装了BSCs㊂在操作电压为0~1.3V下进行测试,结果表明最大能量密度达到了15.7Wh/kg(110W/kg),在2200W/kg时能量密度依旧可以保持在8.79Wh/kg,该器件同时展现出了良好的循环稳定性(2300圈无衰减)㊂过渡金属氧化物也具有良好的储锂性能,Zhang等[40]制备了一种超高SSA (3355m2/g)的三维石墨烯(3DG),并以Fe3O4/G 复合物作为负极,1M LiPF6作为电解液组装了BSCs(m+/m-=1∶4.5)㊂1.0~4.0V下进行测试,最大能量密度达到了204Wh/kg(55W/kg),在4600W/kg时能量密度依旧可以保持在65Wh/kg,1000圈循环后容量仍可以保持为70%㊂Wang等[41]合成了一种TiO2纳米带阵列(NBA),在1M LiPF6中组装了3DG//TiO2型BSCs㊂以0~3.8V的电压进行测试,最大能量密度达到了82Wh/kg(570W/kg),最大功率密度也达到了19000W/kg(21Wh/kg),在1A/g电流密度下循环600圈容量可保持为73%㊂全固态储能器件具有更高的安全性和更好的便携性等优点,是目前研究的热点,Wang等[42]合成了一种壳层结构TiO2与石墨烯复合后作为负极,石墨烯作为正极,1M LiPF6作为电解液组装了BSCs㊂以0~ 3.0V的电压进行测试,最大能量密度达到了72Wh/kg(303W/kg),最大功率密度也达到了2000W/kg(10Wh/kg),在1.5A/g电流密度下循环500圈容量可保持为68%㊂研究表明,碳材料正负极进行匹配可明显降低传输延迟现象,可以288 燕山大学学报2019在大倍率下获得较高的能量密度㊂比如,Ahn 等[43]以海绵状还原氧化石墨烯(HOG)作为负极,AC作为正极在1M LiPF6电解液中进行测试㊂结果表明最大能量密度达到了231.7Wh/kg(57W/ kg),最大功率密度也达到了2800W/kg(131.9 Wh/kg),循环1000圈容量可保持为84.2%㊂同时实验证明,该BSCs的容量达到了AC//商业石墨BSCs的3.6倍㊂Wang等[44]利用P(VDF⁃HFP)聚合物多孔膜与1M NaClO4制备了一种固态凝胶电解质,并利用无定形碳(DC)和介孔石墨烯(MG)分别作为负极和正极组装了一种钠离子电池⁃超级电容器㊂该器件在501W/kg时能量密度达到了168Wh/kg,最大功率密度也达到了2432 W/kg(98Wh/kg),循环1200圈后保持率为85%㊂不同碳纳米管㊁石墨烯基BSCs的电化学性能对比如表2所示㊂表2 不同碳纳米管㊁石墨烯基BSCs的电化学性能对比Tab.2 Comparison of electrochemical performance of different BSCs system based on carbon nanotubes and graphene正极//负极电压窗口/V电解液最大能量密度最大功率密度kW/kg循环保持率/%MWCNT//LTO[34]0~3.01M LiPF6 4.38mWh/cm3 92(2000圈) MWCNT//TiO2⁃B[35]0~2.81M LiPF612.5Wh/kgG⁃CNT//G⁃CNT[36]0.01~4.31M LiPF6121Wh/kg20.589(10000圈) PGM//Li4Ti5O12/C[37] 1.0~3.01M LiPF672Wh/kg8.365(1000圈),10A/g LTO⁃G//3DG[38]0~3.01M LiPF695Wh/kg387(500圈),15C LiNi0.5Mn1.5O4//NDG[39]0~1.33M LiNO315Wh/kg 2.2100(2300圈) 3DG//Fe3O4/G[40] 1.0~4.01M LiPF6204Wh/kg 4.670(1000圈),2A/g 3DG//TiO2[41]0~3.81M LiPF682Wh/kg1973(600圈),1A/g EG//TiO2@EEG[42]0~3.01M LiPF672Wh/kg268(1000圈),1.5A/g AC//HOG[43] 2.0~4.21M LiPF6231.7Wh/kg 2.884.2(1000圈) MG//DC[44]0~4.21M NaClO4+P(VDF⁃HFP)168Wh/kg 2.43285(1200圈)4摇总结与展望电池电容是介于超级电容器和传统二次离子电池的混合型器件,兼具高倍率和高能量密度的优点㊂活性炭具有较大的比表面积和丰富易调的孔隙结构,可以为电解质离子的吸脱附提供大量的活性位点,在电池电容中的应用也最为广泛㊂而碳纳米管具有良好的导电性可以大大地提高电极材料的倍率性能,但是碳纳米管比表面积有限,不能提供足量的活性位点,在电池电容混合型器件中的应用比较有限㊂3D石墨烯兼具以上二者优点,将其本身或与电池型材料相复合应用于电池电容中,可以大大提升电极材料的电化学性能,将会是未来的一个重点发展趋势㊂此外对碳材料进行掺杂改性也可以大大提升其储能性能㊂目前电池电容的能量密度已近接近甚至已经超过一些体系的二次离子电池,功率密度也可与超级电容器相媲美㊂但是对电池电容来讲同时面临一些问题需要解决㊂一个是由于正负极材料一般具有不同的电荷储存动力学,离子在电池型材料中的嵌入脱出速度迟缓于双电层电极界面吸脱附,导致在小电流下得不到较高的能量密度,大电流密度下又会造成严重衰减㊂研究表明,通过将电极材料二维化或纳米化来提高其离子传输速度可大大地提升电池电容器件的电化学性能,有效地缓解离子传输迟缓现象㊂因此如何合理地匹配正负极材料,对电池电容的性能具有重大影响,仍是目前所面临的巨大挑战㊂另外正负极材料的配比㊁电压窗口的大小和电解液的选择等也都对电池电容有重要的影响㊂随着研究的不断改进和深入,电池电容还有较大的发展潜力,并有望成为人们理想的动力源㊂参考文献眼1演GOGOTSI Y熏SIMON P.True performance metrics in electrochemical energy storage眼J演.Science熏2011熏334穴6058雪押917⁃918.眼2演SCHIPPER F熏AURBACH D.A brief review押past熏present and future of lithium ion batteries眼J演.Russian Journal of Electrochemistry熏2016熏52穴12雪押1095⁃1121.眼3演YAN J熏WANG Q熏WEI T熏et al.Recent advances in design and第4期赵玉峰等 碳基电池电容研究进展289fabrication of electrochemical supercapacitors with high energy densities眼J演.Advanced Energy Materials熏2014熏4穴4雪押1300816.眼4演SLATER M D熏KIM D熏LEE E熏et al.Sodium⁃ion batteries眼J演.Advanced Functional Materials熏2013熏23穴8雪押947⁃958.眼5演SIMON P熏GOGOTSI Y.Materials for electrochemical capacitors 眼J演.Nature Materials熏2008熏7穴11雪押845⁃854.眼6演HUANG S熏LI Z熏WANG B熏et al.N⁃doping and defective nanographitic domain coupled hard carbon nanoshells for high performance lithium/sodium storage眼J演.Advanced Functional Materials熏2018熏28穴10雪押1706294..眼7演TARASCON J M熏ARMAND M.Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries眼J演.Nature熏2001熏414穴6861雪押359⁃367.眼8演ETACHERI V熏MAROM R熏ElAZARI R熏et al.Challenges in the development of advanced Li⁃ion batteries押a review眼J演.Energy& Environmental Science熏2011熏4穴9雪押3243⁃3262.眼9演佟琦熏黄士飞熏史姗姗熏等.碳基超级电容器研究进展眼J演.燕山大学学报熏2015熏39穴5雪押377⁃389.TONG Q熏HUANG S F熏SHI S S熏et al.Advances in carbon⁃based supercapaciators眼J演.Journal of Yanshan University熏2015熏39穴5雪押377⁃389.眼10演刘海晶熏夏永姚.混合型超级电容器的研究进展眼J演.化学进展熏2011熏23穴2/3雪押595⁃604.LIU H J熏XIA Y Y.Research progress of hybrid supercapacitor 眼J演.Progress in Chemistry熏2011熏23穴2/3雪押595⁃604.眼11演黄士飞熏帖炟熏佟琦熏等.基于超级电容的混合储能器件研究现状及展望眼J演.自然杂志熏2017熏7穴4雪押265⁃282. HUANG S F熏TIE D熏TONG Q熏et al.Advances in Hybrid Energy Storage Devices眼J演.Chinese Journal of Nature熏2017熏7穴4雪押265⁃282.眼12演WANG G P熏ZHANG L熏ZHANG J J.A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors眼J演.Chemical Society Reviews熏2012熏41穴2雪押797⁃828.眼13演NAOI K熏ISHIMOTO S熏MIYAMOTO J熏et al.Second generation ‘nanohybrid supercapacitor’押evolution of capacitive energy storage devices眼J演.Energy&Environmental Science熏2012熏5穴11雪押9363⁃9373.眼14演GAO L熏HUANG D熏SHEN Y熏et al.Rutile⁃TiO2decorated Li4Ti5O12nanosheet arrays with3D interconnected architecture as anodes for high performance hybrid supercapacitors眼J演.Journal of Materials Chemistry A熏2015熏3穴46雪押23570⁃23576.眼15演GU H熏ZHU Y E熏YANG J熏et al.Nanomaterials and technologies for lithium⁃ion hybrid supercapacitors眼J演.Chem Nano Mat熏2016熏2穴7雪押578⁃587.眼16演LIU C熏ZHANG C熏SONG H熏et al.Mesocrystal MnO cubes as anode for Li⁃ion capacitors眼J演.Nano Energy熏2016熏22押290⁃300.眼17演WANG X熏YAN C熏YAN J熏et al.Orthorhombic niobium oxide nanowires for next generation hybrid supercapacitor device眼J演. Nano Energy熏2015熏11押765⁃772.眼18演STAAF L G H熏LUNDGREN P熏ENOKSSON P.Present and future supercapacitor carbon electrode materials for improved energy storage used in intelligent wireless sensor systems眼J演.Nano Energy熏2014熏9押128⁃141.眼19演ZHONG C熏DENG Y熏HU W熏et al.A review of electrolyte materials and compositions for electrochemical supercapacitors 眼J演.Chemical Society Reviews熏2015熏44穴21雪押7484⁃7539.眼20演BABU B熏LASHMI P G熏SHAIJUMON M M.Li⁃ion capacitor based on activated rice husk derived porous carbon with improved electrochemical performance眼J演.Electrochimica Acta熏2016熏211押289⁃296.眼21演CHOI H S熏IM J H熏KIM T H熏et al.Advanced energy storage device押a hybrid BatCap system consisting of battery⁃supercapacitor hybrid electrodes based on Li4Ti5O12⁃activated⁃carbon hybrid nanotubes眼J演.Journal of Materials Chemistry熏2012熏22穴33雪押16986⁃16993.眼22演LI B熏DAI F熏XIAO Q熏et al.Nitrogen⁃doped activated carbon for a high energy hybrid supercapacitor眼J演.Energy&Environmental Science熏2016熏9穴1雪押102⁃106.眼23演CHEN L M熏LAI Q Y熏HAO Y J熏et al.Pseudo⁃capacitive properties of LiCoO2/AC electrochemical capacitor in various aqueous electrolytes眼J演.Ionics熏2008熏14穴5雪押441⁃447.眼24演ZHAO Y熏WANG Y Y熏LAI Q Y熏et al.Pseudocapacitance properties of AC/LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2asymmetric supercapacitor in aqueous electrolyte眼J演.Synthetic Metals熏2009熏159穴3雪押331⁃337.眼25演HAO Y J熏LAI Q Y熏WANG L熏et al.Electrochemical performance of a high cation⁃deficiency Li2Mn4O9/active carbon supercapacitor in LiNO3electrolyte眼J演.Synthetic Metals熏2010熏160穴7雪押669⁃674.眼26演LI J熏ZHANG X熏PENG R熏et al.LiMn2O4/graphene composites as cathodes with enhanced electrochemical performance for lithium⁃ion capacitors眼J演.RSC Advances熏2016熏6穴60雪押54866⁃54873.眼27演MOSQUEDA H A熏CROSNIER O熏ATHOUЁL L熏et al.Electrolytes for hybrid carbon⁃MnO2electrochemical capacitors眼J演. 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炭材料在电化学应用中的研究进展
炭材料在电化学应用中的研究进展炭材料是一种极其重要的材料，其具有多种功能，包括高导电性、高稳定性、优异的化学惰性和低比表面积等特点。
由于其电化学性质的优异性，炭材料在电化学应用方面具有广泛的用途，例如作为电极材料、催化剂和电解质等。
近年来，随着化学、物理和材料科学的发展，炭材料在电化学应用中的研究也取得了很大的进展。
本文将重点介绍炭材料在电化学应用中的研究进展，包括其在电池和超级电容器方面的应用。
一、炭材料在电池方面的应用1. 石墨烯材料电极石墨烯是一种具有单层结构的炭材料，其高导电性和高比表面积使得其成为电池材料的研究热点之一。
石墨烯材料电极在锂离子电池、钠离子电池和锂硫电池等方面的应用均已得到了广泛的研究。
例如，石墨烯材料在锂离子电池中作为电极，其容量和循环寿命均得到了显著提高。
2. 碳纳米管材料电极碳纳米管材料是一类具有蜂窝结构的炭材料，其高比表面积和优异的电导率使之成为电池电极材料的研究热点之一。
碳纳米管材料在电极方面的应用主要涵盖锂离子电池、超级电容器和锂空气电池等方面。
例如，碳纳米管材料在超级电容器方面的应用具有高能量密度、高功率密度和快速充放电等特点。
3. 钛氧化物/炭复合材料电极钛氧化物/炭复合材料电极是一种新型的复合电极材料，其具有高比表面积、高电导率和优异的化学稳定性等优异性质。
钛氧化物/炭复合材料电极在锂离子电池和钠离子电池等方面的应用均已得到了广泛的研究。
例如，钛氧化物/炭复合材料电极在锂离子电池方面具有较高的容量和循环寿命。
二、炭材料在超级电容器方面的应用超级电容器是一种新型的电化学能量存储设备，其高功率密度和短充放电时间使之成为电源适应性较强的能量存储装置。
炭材料在超级电容器方面的应用主要涵盖活性炭、石墨烯和碳纳米管等材料。
1. 活性炭材料活性炭是最早被应用于超级电容器的炭材料之一，其具有优异的能量密度和高功率密度等优异性质。
活性炭材料在超级电容器方面的应用主要涵盖低温焚烧法活性炭和葡萄糖制备的活性炭等。
超级电容器电极材料研究进展
超级电容器电极材料研究进展一、本文概述随着能源危机和环境污染问题日益严重，高效、环保的能源存储和转换技术成为了全球科研工作的热点。
超级电容器，作为一种新型的储能器件，因其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命等优点，在电动汽车、电子设备、可再生能源系统等领域具有广阔的应用前景。
电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接影响着超级电容器的整体性能。
因此，研究和开发高性能的超级电容器电极材料成为了当前的研究重点。
本文旨在全面综述超级电容器电极材料的研究进展，包括各类电极材料的性能特点、合成方法、改性策略及其在超级电容器中的应用。
文章首先介绍了超级电容器的基本原理和分类，然后重点分析了碳材料、金属氧化物、导电聚合物等常见电极材料的性能优势和存在的问题。
接着，文章综述了近年来通过纳米结构设计、复合改性、表面修饰等手段提高电极材料性能的研究进展。
文章展望了超级电容器电极材料未来的发展方向和潜在应用领域。
通过本文的阐述，期望能够为超级电容器电极材料的研究和应用提供有益的参考和启示。
二、超级电容器电极材料分类超级电容器的性能与电极材料的特性密切相关，因此，对电极材料的研究一直是超级电容器领域的热点。
根据材料种类的不同，超级电容器的电极材料主要分为碳材料、金属氧化物/氢氧化物、导电聚合物以及复合材料等几大类。
碳材料：碳材料是超级电容器中应用最广泛的一类电极材料，包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。
这类材料具有比表面积大、导电性好、化学稳定性高等优点，适合用作双电层电容器的电极材料。
然而，碳材料的储能机制主要是物理吸附，因此其能量密度相对较低。
金属氧化物/氢氧化物：金属氧化物/氢氧化物如RuO₂、MnO₂、NiOOH 等，具有较高的赝电容特性，能够实现快速的氧化还原反应，从而提供更高的能量密度。
然而，这类材料的导电性较差，且在充放电过程中体积变化较大，容易导致电极结构破坏，影响循环稳定性。
导电聚合物：导电聚合物如聚吡咯、聚噻吩等，具有良好的导电性和赝电容特性，是超级电容器电极材料的另一类重要选择。
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（ ） 外 加 电源 时 电 位 Ａ 尤 （ 有 外 加 电源 时 电 位 Ｂ）
为 电极材 料 的双 电层 电容 器 专利 以来 ， 基 双 电层 电 碳
容 器 受到 了世 界各 国科 研人 员 的高度 重视 ： 渐得 到 并逐
ｌ 双 电层 电容 器 工 作 原 理
双 电层 电容器 是建 立在 界 面双 电层理 论基 础上 的
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化学 和 电化学 作用 、 电性 能 良好 的极 化 电极 ， 导 同时还 应 人 为施 加直 流 电压 ， 使 电极 和 电解 液 两相 界 面发 促 生“ 化” 本 质上这 是 一种静 电型能量储 存方 式 。 极 ，
收 稿 日期 ：０ １ Ｏ —２ ２１一 ８ ５
作 者 简 介 ： 小 军 （９ ２ ） 男 ， 刘 １ ８ 一 ， 湖北 黄 冈人 ， 士 ， 硕 助教 ， 要 从 事储 能 材料 的研 究 ， — ｉ ｌ ｃｎ ９ ２ １ １ ３ ｃｍ。 主 Ｅ ｍａ ：ｕ ａ １８ １ ＠ ６ ．ｏ ｌｉ
２ 碳 基 电极 材 料
电极 材料 是超 级 电 容 器 的Байду номын сангаас 要 组 成部 分 ， 是 决 也
定超 级 电容器 性 能的关 键 因素 。碳基材 料具 有优 良的 导热 和导 电性 能 ， 密 度 低 、 化 学 腐 蚀性 能 好 、 膨 其 抗 热 胀系 数小 、 弹性 模量 适 中 ， 具有 巨大 的 比表 面 积 ， 备 制 过程 中孔 径分 布可 以调 控 ， 可根 据 需 要 制成 多 种 形 且
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Ｃｈ ｍ ｉ ｒ ＆ Ｂｉ ｎ ｎ ｅ ｉｇ ｅ ｓ ｙ ｔ ｏｅ ｇｉｅ ｒ ｎ
碳 基 双 电层 电容 器 电极 材 料 的 研 究 进 展
刘小 军 ， 新 华 ， 徐 黄壮 昌 （． １ 陕西 国防工 业职 业技 术 学院化 学 工程 学院 ， 西 西安 ７ ０ ０ ； 陕 １ ３ ２
工 以及 电动汽 车 、 字通 讯 、 数 计算 机等 众多 民用 领域 。
由于界 面上存 在 一 个 位 垒 ， 两层 电荷 都 不能 越 过 边 界 彼此 中和 ， 同 一 个 平 板 电 容 器 ， 而存 在 电容 如 因
量 。为形 成稳 定 的双 电 层 ， 须采 用 不 与 电解 液 发 生 必
２ 西安 交通 大学 第一 附属 医院 ， ． 陕西 西安 ７ ０ ６ ；． 州；环 集 团股份 有 限公 司 ， 东 潮 州 ５ １ ０ ） １０ １３ 潮 广 ２ ０ ０
摘 要 ： 电层 电容 器 是 一 种 介 于 电池 与传 统 电 容 器 之 间的 新 型 储 能 元 件 ， 有 较 高 的 能 量 密度 和 功 率 密 度 ， 充 双 具 且 电 速 度 快 、 环 寿命 长 、 环 境 无 污 染 ， 泛 应 用 于 国 防 、 工 以及 电动 汽 车 、 字 通 讯 、 算机 等 众 多 民 用 领 域 。 简 述 了 循 对 广 军 数 计 双 电层 电容 器 的基 本 工作 原理 ， 述 了碳 基 双 电层 电 容 器 电极 材 料 的 研 究进 展 。 综
种全 新 的 电容器 ｌ 。双 电层 电容 器 电极材 料 主要 为 ＿ ４ ］
１７ ８ ９年 ， 国人 Ｈｅｍｏ ｏｔ 德 ｌ ｈｌ ｚ最 早 提 出 了 双 电层
碳 基 材料 ， 以双 电层 形式 储存 能量 。
理 论 ， 为 金属 表 面上 的净 电荷将 从 溶 液 中 吸引 部 分 认 不 规 则分 配 的离子 ， 使它 们在 电极 ／ 液界 面 的溶液 一 溶 侧 离 电极 一定 距离 排 成一 排 ， 成 一个 电荷 数 量 与 电 形
关 键 词 ： 电层 电容 器 ； 双 工作 原 理 ； 基 材料 碳 中图分类号 ： ＴＭ ４ ２２ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ２ ４ ５ ２ １ ） １ ０ ０ —０ １ ７ —５ ２ （ ０ １ １ — ０ ７ ３
碳基 材料 作 为能 源 材 料 日益 受 到 重 视 ， 比表 面 用 积 较 大 的活性 炭制 作双 电层 电容 器 （ ＤＬ 的 电极 就 Ｅ （ ）
极 表 面剩余 电荷数 量相 等而 电性 相反 的界 面层 。这 样
充 电界面 由两个 电荷层 组成 ， 一层 在 电极 上 ， 另一层 在 溶 液 中 ， 而成 为 双 电层 ｌ ， 图 １所示 。 从 ＿ 如 ５ ］
基 金 项 目 ： 西 国 防 工 业 职 业技 术 学 院 科 学 基 金 资 助 项 目（ ｙ ００ ） 陕 Ｇｆｌ ５
１ 双 电层 ．
２ 电解 液 ．
３ 电极 ．
４ 负 载 ．
大 规模 商 业 应 用口 。作 为一 种 绿 色 环保 、 能 优 异 ］ 性
的新 型储 能器 件 ， 基 双 电层 电容 器 应用遍 及 国 防 、 碳 军
图 １ 双 电 层 电 容 器 的 原 理 示 意 图
Ｆｉ．１ Ｐｒ ｎ ｉ ｅｏ ｌｃ ｒｃ ｄ ｕｂｅ ｌ ｙ ｒ ｃ ｐａ ｉｏ ｓ ｇ ｉ ｃｐｌ ｆｅ ｅ ｔ ｉ ｏ ｌ－ａ ｅ ａ ｃ ｔｒ
是 碳 基材 料在 能 源领域 的重 要应 用之 一 。 双电层 电容 器 是 一种新 型 电化 学 能量 储 存 装 置 ， 电容 比传 统 电 其 容 器 大得 多 ， 电容 量 为 法 拉 级 ； 构 与 性 能 类 似 于 电 结 池 ， 有 功率 密度 高 、 电速 度快 、 环寿命 长 、 环境 具 充 循 对 无 污 染等 优点 。双 电层 电容 器是 最早 出现 的超 级 电容
刘 小 军 等 ： 基 双 电 层 电 容 器 电 极 材 料 的 研 究 进 展／ ０ １ ■ ｌ 碳 ２１ 年 ｌ霸