碳纳米管超级电容器的研究进展
碳纳米管在超级电容器中的应用
碳纳米管在超级电容器中的应用在现代科技中，储存和转换电能的需求越来越高，超级电容器由于其高功率密度和长寿命等优点而备受瞩目。
其中，碳纳米管材料是超级电容器中理想的电极材料之一。
本文将从碳纳米管的结构特点、制备方法以及在超级电容器中的应用等方面进行探讨。
一、碳纳米管的结构特点碳纳米管是由若干层具有六元环结构的碳原子构成的管状结构，其直径通常在1~100纳米之间。
碳纳米管的特殊结构赋予其独特的电学、光学、力学和导热等性质，其中主要包括以下几个方面：1.良好的导电性:碳纳米管具有良好的电导率和电子迁移率，可用于制备高性能电子器件。
2.优异的力学性能:碳纳米管具有极高的模量和强度，较好的韧性和弹性，可用于制备高性能纳米机械器件。
3.优异的光学性能:碳纳米管在红外波段具有良好的透光性，可用于制备高效率的光电器件。
二、碳纳米管的制备方法目前，碳纳米管主要有化学气相沉积法、电弧等离子体放电法、激光热解法、电化学方法等多种制备方法。
这些方法各有特点，但都需要一定的设备和技术条件。
1.化学气相沉积法:该方法是通过在高温下一定气氛下沉积碳原子来制备碳纳米管，其优点是操作简便，但缺点是制备的碳纳米管质量不高。
2.电弧等离子体放电法:该方法是利用直流电弧等离子体在高温下沉积碳原子制备碳纳米管，其优点是制备出来的碳纳米管质量高，但设备复杂，成本较高。
3.激光热解法:该方法是利用激光加热碳源来制备碳纳米管，其优点是制备出的纳米管尺寸分布较小，质量高，但设备复杂，制备周期长。
4.电化学方法:该方法是通过在电解质溶液中加入碳源，利用外加电压在电极上沉积碳纳米管。
该方法简单易行，无需高温高压，但制备出的纳米管尺寸分布不均匀。
三、碳纳米管材料可用于制备超级电容器的电极材料，主要有两种方法：一种是利用碳纳米管的高表面积制备电极材料；另一种是将碳纳米管与其他电极材料复合制备电极材料。
1.利用碳纳米管的高表面积制备电极材料:碳纳米管单层结构的表面积相对较大，可以提高电极材料的活性表面积，从而提高电容器的能量密度和功率密度。
纳米科技论文
碳纳米管性质及其应用研究进展碳是自然界分布非常普遍的一种元素。
碳元素最大的特点之一是存在着众多的同素异形体，形成许许多多结构和性质完全不同的物质。
长期以来，人们一直认为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。
直到1985年，英国科学家Kroto和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式C60，从此开启人类对碳认识的新阶段。
1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家S.Lijima在用电子显微镜观察石墨电弧法制备富勒烯产物时，发现了一种新的碳的晶体结构--碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)，自此开辟了碳科学发展的新篇章，也把人们带人了纳米科技的新时代。
碳纳米管的结构，形象地讲是由含六边形网格的石墨片卷曲而成的无缝纳米级圆筒，两端的“碳帽”由五边形或七边形参与封闭，根据石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁管和多壁管。
由于其结构上的特殊性(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米，甚至毫米量级)，它表现为典型的一维量子材料，并具有许多异常的力学、电学、光学、热学和化学性能。
碳纳米管在制备、结构、性能、应用等方面引起了物理学、化学和材料学等科学家的极大兴趣，均取得了重大的成果。
近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔应用前景也不断显现出来。
1碳纳米管的结构和性能碳纳米管可以看作是石墨片绕中心轴按一定的螺旋角度卷绕而成的无缝圆筒，碳原子间是sp2杂化，它具有典型的层状中空结构特征，管径在0.7-30nm之间，长度为微米量级，管身是由六边形碳环组成的多边形结构，两端由富勒烯半球形端帽封口。
碳纳米管的螺旋度通常用螺旋矢量Ch=na1+ma2表示，其数值等于碳纳米管的周长，其中n，m为整数，a1、a2是石墨晶格的基矢(图1)。
在二维石墨晶片上，给定一组(n，m)便确定了一个矢量Ch。
另一个重要参量是Ch与a1，间夹角θ，称为手性角。
当n=m，θ=30°时，称其为扶手椅形碳纳米管；当m=0，θ=0°时，称其为锯齿形碳纳米管；而当0°<θ<30°时形成的所有其他类型均是手性碳纳米管(图2)。
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)℃。
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：
碳纳米材料在电池中的应用研究
碳纳米材料在电池中的应用研究引言：随着能源需求的增长和能源消耗的加剧，传统燃料的使用已经不再可持续。
因此，人们对新型能源储存和转换技术的需求变得越来越迫切。
碳纳米材料由于其特殊的结构和优异的性能，在能源领域中得到了广泛关注。
本文将重点讨论碳纳米材料在电池中的应用研究，探讨其潜在的应用前景和挑战。
一、碳纳米材料的特性和制备方法碳纳米材料是由碳原子构成的纳米尺度材料，包括碳纳米管、石墨烯、炭黑等。
它们具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等独特的特性。
碳纳米材料的制备方法繁多，常见的有化学气象法、电弧放电法和化学气相沉积法等。
二、碳纳米材料在锂离子电池中的应用1. 正极材料改性由于其高比表面积和导电性，碳纳米材料可用于改善锂离子电池正极材料的性能。
例如，将碳纳米管添加到锂铁磷酸盐正极材料中，可以提高其电导率和锂离子扩散速度，从而提高电池的放电性能和循环稳定性。
2. 负极材料改性碳纳米材料还可以用于改善锂离子电池负极材料的性能。
石墨烯的应用研究表明，添加石墨烯可以提高负极材料的电导率和锂离子嵌入/脱嵌速率，从而增加电池的储能密度和循环寿命。
三、碳纳米材料在超级电容器中的应用1. 电极材料改性碳纳米材料可以用于改善超级电容器的电极材料。
炭黑是一种常用的电极材料，其高比表面积和导电性使得电容器具有较高的电容量和快速的充放电速度。
此外，碳纳米管和石墨烯等材料的引入也可以进一步提高超级电容器的性能。
2. 电解质改性除了作为电极材料的改性外，碳纳米材料还可以用于改善超级电容器的电解质。
例如，添加碳纳米材料到电解质中可以提高其离子传导能力和界面稳定性，从而提高超级电容器的性能。
四、碳纳米材料在太阳能电池中的应用碳纳米材料也被广泛研究用于太阳能电池中。
由于其高比表面积和导电性，碳纳米材料可以提高太阳能电池的光吸收能力和电荷传输速率。
此外，石墨烯和碳纳米管的应用可以提高太阳能电池的稳定性和寿命。
总结：碳纳米材料在电池中的应用研究显示出了巨大的潜力。
碳纳米管材料在储能领域中的应用研究
碳纳米管材料在储能领域中的应用研究随着全球工业化进程的不断加速，能源的消耗速度呈现出逐年上升的态势。
因此，发展可持续、高效、环保的新能源以及寻找高能量密度、易携带、长寿命的储能材料已成为人们关注的焦点。
碳纳米管材料由于其高比表面积、优异的导电性和良好的力学性能，已被广泛应用于储能领域。
一、碳纳米管的基本特性和应用碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)是由官能化的碳原子构成的中空纳米管，其结构类似于卷曲过的石墨烯。
碳纳米管拥有极高的比表面积，导电性能好，且具有良好的力学性能、高的化学稳定性和优异的热稳定性，因此被广泛应用于能源储存、传输等领域。
目前，碳纳米管主要的应用领域包括电池和超级电容器、储氢材料、储能器件和催化剂等领域。
二、碳纳米管在锂离子电池中的应用目前，锂离子电池是目前最为普遍的储能装置，碳纳米管也被广泛应用于锂离子电池的正负极材料中。
由于碳纳米管具有高比表面积和巨大的孔隙度，能够提供更多的活性空间，因此它在电极材料中的应用大大提高了电极材料的比表面积、电化学性能、导电性能和机械稳定性，改善了电极材料的储能性能。
三、碳纳米管在柔性超级电容器领域中的应用由于碳纳米管具有较大的比表面积和良好的导电性能，因此在柔性超级电容器领域中也有着广泛的应用。
它不仅可以提高电容器的电容量和功率密度，而且还可以有效提高电容器的循环寿命，满足柔性电子类设备对高性能、高安全、 ultra low power consumption的需求。
四、碳纳米管在储氢材料领域中的应用碳纳米管的具有极高的比表面积和良好的导电性，因此在储氢材料领域中也有着应用。
其中一种方法是用氢气吸附到碳纳米管表面，形成一层厚度很薄的氢原子分子层，可以通过氢气在氢分子间扩散和碳纳米管表面的相互作用，将氢分子物理吸附在碳纳米管表面上，起到储存氢气的作用。
五、碳纳米管在燃料电池领域中的应用碳纳米管的表面活性位点、高比表面积以及可控的孔道结构，使其在燃料电池领域中也有着广泛的应用。
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。
超级电容器离子液体电解质的研究进展
超级电容器离子液体电解质的研究进展室温离子液体是一类由于阴、阳离子极不对称和空间阻碍，导致离子静电势较低，完全由离子组成的液态物质，简称为离子液体。
三氯化铝和卤化乙基吡啶离子液体是第一代室温离子液体；S.John等合成出电化学稳定性更好的二烷基咪唑阳离子盐后，离子液体迅速成为研究热点。
超级电容器的比能量比锂离子电池低，在保持高比功率的同时，提高比能量是急需解决的问题。
提高单体超级电容器的比能量，需要在提高工作电压的同时，提高比电容。
工作电压与电解液的分解电压有关。
目前，超级电容器的电解液主要有水系和有机系两种。
水系电解液为硫酸溶液或氢氧化钾溶液，腐蚀性较强，且制备的单体超级电容器的工作电压低(只有约1V)。
有机系电解液为四氟硼酸四乙基铵盐等电解质的有机溶液，制备的单体超级电容器的工作电压在2.5V以上；但存在有机溶剂易挥发、电导率和工作电压提高困难、有安全隐患及对环境有影响等问题。
离子液体可直接作为超级电容器的液态电解质，也可溶于有机溶剂中作为电解质盐，还可引入固体聚合物电解质，以改善相关性能。
1液态电解质离子液体的阴离子主要由二(三氟甲基磺酰)亚胺(TFSI-)、BF4-和PF6-等构成。
离子液体的阳离子主要由咪唑类、吡咯类及短链脂肪季胺盐类等有机大体积离子构成。
1.1咪唑类离子液体咪唑类离子液体的黏度低、电导率高。
自1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIBF4)后，咪唑类离子液体发展迅速。
1-丁基-3-甲基咪唑类(BMI+)离子液体由于黏度低、电导率相对较高，易合成，得到了广泛的研究。
B.Andrea等用1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIPF6)和1-丁基3-丁基咪唑四氟硼酸盐(BMIBF4)作为活性炭(AC)/聚三甲基噻吩(pMeT)混合电容器的电解液。
与有机电解液(PC-EtNBF4)电容器相比，离子液体电容器在60℃时的比能量、功率密度及电流效率较高。
高黏度是离子液体走向工业化应用的主要障碍之一。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期:20082032313基金项目:国家自然科学基金(50372013);高等学校博士学科点专项科研基金(20050562002);广东省自然科学基金(07001769)作者简介:陈列春(1976—),男,广西扶绥人,硕士研究生.第2卷 第3期材 料 研 究 与 应 用Vo1.2,No.32008年9月MA TERIAL S RESEARCH AND APPL ICA TIONSept .2008文章编号:167329981(2008)0320169204碳纳米管超级电容器的研究进展3陈列春,张海燕,贺春华,谢 慰(广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006)摘 要:综述了碳纳米管超级电容器的研究进展,并介绍了采用碳纳米管作为超级电容器电极材料的优缺点及制备高性能碳纳米管超级电容器的方法.关键词:碳纳米管;超级电容器;电极材料中图分类号:TB383 文献标识码:A超级电容器(Supercapacitor )也叫电化学电容器[1],作为一种新型储能装置,它具有比容量高、比功率高及循环寿命长等优点,可作为无污染的小型后备电源用于多种电器设备中,同时它可与电池共同组成复合电源为电动车提供动力,近年来其研究受到广泛地关注并得到快速地发展[226].碳纳米管的管径一般为几纳米到几十纳米,长度在几微米至几十微米,其比表面积大、导电性好,是超级电容器的理想电极材料.1 碳纳米管作为超级电容器的电极材料王晓峰等人[7]以NiO/(SiO 2,Al 2O 3)为催化剂,C 3H 6为碳源气体,采用催化裂解法制备了多壁碳纳米管材料,以泡沫镍为基体制备成电极,将20对该电极与无纺布隔膜一次叠加后制成电容器的内芯,并放入有1mol/L LiClO 4PC 有机电解液的不锈钢内壳中,组装成碳纳米管超级电容器.实验结果表明,在20A 充放电流条件下,70s 内电压从2.5V 下降到0;该超级电容器的电容量为600F ,内阻为2.5m Ω,其比功率和比能量分别为1kW/kg 和0.8W ・h/kg ,即使在100A 的充放电流条件下,超级电容器的电容量和比能量仍然达到570F 和0.76W ・h/kg.何春建等人[8]将0.5mm 厚的铝片经除油、化学抛光后,在0.3mol/L 的草酸溶液中用恒电流法进行电化学氧化,再用HgCl 2去除未氧化的铝基底,在50℃条件下用10%的碳酸钠去除多空氧化铝的阻挡层,负载硝酸铁后放入管式炉中,通入体积比为1ζ4的H 2和Ar 还原保护气.以C 2H 2为碳源,先在500℃下保温6h ,再在700℃条件下保温15h ,然后降至室温,最后得到沉积在多孔氧化铝模板中的有序碳纳米管阵列.将该阵列作为碳纳米管超级电容器的电极,组装成碳纳米管超级电容器.电容器的电容量为687F/m 2,比一般双电层碳电极电容器的电容量0.2F/m 2大3435倍,说明用于超级电容器中的碳纳米管阵列电极具有非常优异的性能.K.J urewicz 等人[9]将KO H 和多壁碳纳米管按质量比4ζ1的比例混合,在800℃的高温下对碳纳米管进行90min 的活化处理.结果显示,在7mol/L KO H 电解液中,未经活化的多壁碳纳米管超级电容器的比容量为4F/g ,而活化后的碳纳米管超级电容器则达到49F/g.在氨水和空气体积比为1ζ3的条件下,将未活化和活化后的碳纳米管分别进行氨水氧化处理.实验结果表明,前者的比容量升高到40F/g ,后者的比容量升高到58F/g.这说明对碳纳米管进行活化及氨水氧化处理后,碳纳米管上的官能团增加,有利于提高碳纳米管超级电容器的比容量.J.H.Chen等人[10]采用CVD技术,以Ni为催化剂,直接通过石墨形态进行生长,得到管径为50 nm的碳纳米管.经过循环伏安测试,在循环扫描速率为100mV/s时,超级电容器的比容量达到115.7 F/g,表现出典型的双电层电容器的特性.张建宇等人[11]采用化学气相沉积法制备碳纳米管,在温度约为700℃时进行催化裂解反应,反应气体为乙炔气体,保护气为氢气,含有Fe,Co及Ni 金属氧化物的催化剂均匀地附着在Al2O3及SiO2纳米颗粒载体上.制作好的碳纳米管电极和质量分数为38%的硫酸电解液组装成双电层电容器,在25 mA的恒流充放电条件下,电容器的比容量约为21 F/g,等效内阻约为2Ω.陈人杰等人[12]以Ni为催化剂,通过高温催化裂解C2H2/H2混合气体,制备出碳纳米管,并制成薄膜电极,以二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂21,32氮氧杂环戊222酮熔盐为电解液,组装成模拟电容器.在1 mV/s的扫描速率下,电容器表现为典型的双电层电容特性;在电位0～2.0V范围内用4A/m2的电流密度对模拟电容器进行恒流充放电,其比容量达到20.5F/g,经过500次循环充放电后,容量损失小于5%.马志仁等人[13]用高温催化裂解C2H4/H2混合气体制得碳纳米管,并经质量分数为20%的硝酸纯化处理,去除金属催化剂,然后在25M Pa及2000℃、氩气保护的条件下,将碳纳米管热压成型,做成固体电极,组装成超级电容器.该热压电极电容器的体积比电容量为78.1F/cm3,漏电电流小于0.6 mA,等效串联电阻约2.75Ω.江奇等人[14]将催化裂解法制备的碳纳米管经硝酸纯化去除杂质后与KO H按质量比1ζ4混合,经研磨后置于陶瓷管中加热,在温度850℃下,通氮气并保温1h.采用活化前后的碳纳米管作为电极材料,质量分数10%的乙炔黑做导电剂,质量分数5%的聚偏氟乙烯(PVDF)做粘结剂,电解液为1mol/L LiClO4/EC+D EC,其中V(EC)ζV(DEC)=1ζ1.测试结果表明,碳纳米管比表面积由活化前的19411m2/g增加到510.5m2/g,孔容也由原来的0.660cm3/g增加到0.911cm3/g;在0.2mA恒流充放电条件下,电容器的比容量从活化前的25.0 F/g提高到50.0F/g.这说明增加碳纳米管的比表面积和孔容,有利于提高碳纳米管超级电容器的比容量.梁逵等人[15]研究了以碳纳米管作为电极材料的超级电容器的频率响应特性.在TEAB F4/PC电解液中,在0.1～1×105Hz的频率范围内,当频率低于0.25Hz时电容器的阻抗曲线出现明显的“电荷饱和”,当频率较高时同一个电容器的电容量远小于频率较低时的电容量.这表明碳纳米管超级电容器的电解质离子在多孔电极中较难扩散,所以频率响应相对于传统的纸介电容器、电解电容器要差很多.E.Frackwiak等人[16]考察了用烃类催化分解法制得的三种不同碳纳米管用作超级电容器电极时的性能.按m(碳纳米管)ζm(乙炔黑)ζm(聚偏二氟乙烯(PVDF)粘结剂)=85ζ5ζ10进行混合,并将混合物压制成极片,所制得的碳纳米管电极的比电容量4～80F/g.K.H.An等人[17]研究了采用电弧法合成的单壁纳米碳管用作超级电容器电极时的行为,分析了粘结剂、炭化温度、充电时间及放电电流密度等因素对其电化学行为的影响.他们将纯度为20%～30%的束状单壁纳米碳管同质量分数为30%的聚偏二氯乙烯(PVDF)混合,在6.9M Pa压力下模压制成电极,在500～1000℃、氩气保护下处理30min,用镍箔做集电极,以7.5mol/L KO H为电解液,装配成电容器.该电容器的比容量达180F/g,功率密度和能量密度分别为20kW/kg和6.5～7W・h/kg.王贵欣等人[18]采用5种均由催化裂解法制备、经过相同条件纯化处理(纯度在95%以上)的多壁碳纳米管作为超级电容器的电极材料,以溶解在乙烯碳酸酯(EC)和二乙基碳酸酯(DEC)(二者质量比为1ζ1)中的1mol/L LiClO4为电解液,考察了比表面积和孔结构对超级电容器比容量的影响.结果发现,当碳纳米管比表面积为118.80m2/g时,超级电容器的比容量仅为15.86F/g;当比表面积增大到476.10m2/g时,比容量相应地增加到54.80 F/g.研究表明,多壁碳纳米管的比容量与孔径为3 nm以上孔的比表面积有很好的线性关系.本文作者对碳纳米管进行了硝酸回流改性处理,将其用作超级电容器的电极材料.由图1可见,未做回流处理前,碳纳米管的帽端是封闭的,并且含有催化剂,经过质量分数为68%的硝酸回流80h 后,碳纳米管的帽端被打开,且催化剂被去除.这有071材 料 研 究 与 应 用2008利于电解液中的离子进入碳纳米管内腔,使碳纳米管的内部表面得到了充分利用,从而形成更大的双电层,有利于碳纳米管超级电容器的比容量提高.图1 碳纳米管TEM 照片(a )改性处理前;(b )改性处理后Fig 11 TEM image of carbon nanotubes (a )before modifications ;(b )after modifications将硝酸回流改性前后的碳纳米管做成电极,以1mol/L Na 2SO 4为电解液,组装成CR2032型钮扣式超级电容器,并对其进行恒流充放电测试.由图2可见,充放电曲线呈对称性分布.这表明,制备的碳纳米管超级电容器具有理想的电容特性.通过比容量的计算公式,可计算出改性前及改性后的碳纳米管超级电容器比容量分别为5.1F/g 和40.1F/g.图2 碳纳米管超级电容器充放电曲线Fig.2 Charge 2discharge curves of CN Ts supercapacitors2 结 语超级电容器已经越来越受到人们的关注,利用碳纳米管作为超级电容器的电极材料必将成为研究人员探索和研究的热门课题.要获得高性能、大比电容量的碳纳米管超级电容器,关键因素是开发出具有高比表面积及富含官能团的碳纳米管.所以,对初步制备的碳纳米管,可以考虑对其进行活化处理、酸(硝酸、硫酸等)回流处理、氨水氧化等处理方式,然后再将处理后的碳纳米管应用于超级电容器.如何研制出具有实用前景的纳米碳管超级电容器,将是一项重要的工作.参考文献:[1]CONWA Y B E.Transition f rom ‘supercapacitor ’to‘battery ’behavior in electrochemical energy storage[J ].Journal of Electrochemical Society ,1991,138(6):153921548.[2]刘政,毛卫民.碳纳米管及其在汽车中的应用前景[J ].金属功能材料,2005,12(4):39243.[3]张治安,邓梅根,胡永达,等.电化学电容器的特点及应用[J ].电子元件及材料,2003,22(11):125.[4]B EC KER H L.Low voltage electrolytic capacitor :USA ,2800616[P].1957207223.[5]BU R KE A.Ultracapacitors :why how and where is thetechnology[J ].J Power Sources ,2000,91:37250.[6]GAMB Y J ,TAB ERNA P L ,SIMON P ,et al.Studiesand characterisations of various activated carbons used for carbon/carbon supercapacitors [J ].Journal of Power Sources ,2001,101(1):1092116.[7]王晓峰.碳纳米管超级电容器的研制和应用[J ].电源技术,2005,29(1):27230.[8]何春建,薛宽宏,陈巧玲,等.多壁碳纳米管阵列电极的循环伏安行为[J ].化学研究,2003,15(5):6282629.[9]J U REWICZ K ,BAB EL K ,PIETRZA K R ,et al.Capaci 2tance properties of multi 2walled carbon nanotubes modi 2fied by activation and ammoxidation [J ].Carbon ,2006(44):236822375.[10]CH EN J H ,L I W Z ,WAN G D Z ,et al.Electrochemicalcharacterization of carbon nanotubes as electrode in electrochemical double 2layer capacitors [J ].Carbon ,2002(40):119321197.[11]张建宇,曾效舒,蔡结松.基于碳纳米管的双电层电容器[J ].南昌大学学报:工科版,2002,24(3):14215.[12]陈人杰,吴锋,徐斌,等.室温熔盐在碳纳米管电化学电容器中的应用[J ].电子元件与材料,2007,26(4):11214.[13]马仁志,魏秉庆,徐才录,等.基于碳纳米管的超级电容器[J ].中国科学:E 辑,2004,30(2):11221165.[14]江奇,卢晓英,赵勇,等.碳纳米管微结构的改变对其容量性能的影响[J ].物理化学学报,2004,20(5):171第2卷 第3期陈列春,等:碳纳米管超级电容器的研究进展5462549.[15]梁逵,陈艾,叶芝祥.碳纳米管与活性炭超级离子电容器的频率响应[J].功能材料与器件学报,2002,8(2): 1832186.[16]FRAC KOWIA KA E,M ETEN IER K,B ERTA GNA V,et al.Supercapacitor electrodes f rom multiwalled carbon nanotubes[J].Appl Phys Lett,2000,77(15): 242122423.[17]AN K H,J EON K K,H EO J K,et al.High2capacitancesupercapacitor using a nanocomposite electrode of sin2 gle2walled carbon nanotube and polypyrrole[J].J Elec2 trochem Soc,2002,149(8):A10582A1062.[18]王贵欣,矍美臻,周固民,等.一种估算多壁碳纳米管电化学容量的方法[J].无机化学学报,2004,20(4): 3692372.Progress in research on carbon nanotubes electrode materials in supercapacitorsCH EN Lie2chun,ZHAN G Hai2yan,H E Chun2hua,XIE Wei(Facult y of M aterial and Energy,Guang dong Universit y of Technology,Guangz hou510006,China)Abstract:In t his paper,an overall review on t he p rogress in t he research of carbon nanot ubes supercapaci2 tors is p resented.The advantages and disadvantages of carbo n nanot ubes as elect rode materials of superca2 pacitors are discussed.The met hods of producing carbon nanot ubes supercapacitors wit h high specific ca2 pacitance are also int roduced.K ey w ords:carbon nanot ubes;supercapacitors;electrode material271材 料 研 究 与 应 用2008。