(整理)超级电容器电极材料研究现状及存在问题.
超级电容器电极材料的研究参考完成
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4.超级电容器电极材料及研究现状究的重点是找出合适的金属或氧
化物来替代钌，减少钌用量，降低成本，并提高电极材料 的比电容。如以比电容达250F/g的活性炭作为负极， 0.31mm厚的超薄型烧结复合镍钴电极材料作为正极，组 装了活性炭-烧结复合镍钴超级电容器，它的最大比能量 可达16Wh/kg，最大比功率达10KW/kg。
5、电极材料的改进
• （一）掺杂
• 对电极材料进行其他物质的参杂，不仅能提高电极的比热 容，而且能提高电极的功率特性.
• 例如：参杂二氧化锰比未参杂的更有利于提高二氧化锰电 极的放电性能和循环性。这是因为参杂使二氧化锰的氧化 还原反应基本保持在生成可逆产物范围内而生成不可逆产 物相对减少，从而保证其循环性。
4.超级电容器电极材料及研究现状
• （一）、氧化锰电极材料 氧化锰资源广泛，价格低廉，具有多种氧化价态，而且对 环境无污染，在电池电极材料和氧化材料上已经广泛地得 到应用。现在用于超级电容器的氧化锰电极材料研究已经 取得了很大的进展。高比表面二氧化锰是一种价格低廉且 性能良好的新型电极材料。分别用溶胶凝胶法和电化学沉 积法来制备二氧化锰，通过比较发现，用溶胶凝胶法制备 的二氧化锰的比电容量比用沉积法制备的二氧化锰高出 1/3。达到698F/g，且循环1500次后，容量衰减不到10%。
参考资料
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2. 程杰、李晓忠、曹高萍、沈涛、杨欲生，活性炭-烧结复合镍钴超级电 容器，电池，2005.13期
3. 陈新丽、李伟善，超级电容器电极材料的研究现状与发展，广东化工 ，2006.7期
4. 摆玉龙，超级电容器电极材料的研究进展，新疆化工，2011.3期 5. 张治安、杨邦朝、邓梅根、胡永达，超级电容器氧化锰电极材料的研
简析超级电容器及其电极材料
材料科学与工程学院简析超级电容器及其电极材料简析超级电容器及其电极材料摘要超级电容器作为一种新型储能器件，近年来越来越受到科学界和工业界的重视。
本文介绍了超级电容器的特点、应用和研发情况，将其与可充电电池进行了简单的对比。
重点介绍了超级电容器的电极材料的研究现状和研究的重难点。
文末，对于超级电容器的应用前景进行了初步的分析。
关键词：超级电容器电极材料一，超级电容器概述超级电容器是介于化学电池与常规电容器之间的一种新型储能器件。
【1】其具有许多优点，例如优良的脉冲性能、充放电较快、无污染、免维修、长寿命等。
它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储备电荷的能力。
与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数可达十万次以上，且不用维护；与化学电池相比，具备较高的比功率，且对环境无污染。
因此，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优越的性能得到各方的重视，目前发展十分迅速。
其在航空航天、国防军工、电动汽车、无线通讯、消费电子等领域具有广阔的应用前景。
我们或多或少都会有一个疑问：超级电容器到底是如何在实际中得到应用的。
接下来，介绍其具体的应用。
这对于加深我们对于超级电容器的了解有重要作用。
比如在电动汽车领域，超级电容器可以与充电电池组成复合电源系统，既可满足电动汽车启动、加速和爬坡时的高功率要求，又可延长蓄电池的循环使用寿命，实现电动汽车系统性能的最优化。
【2】又比如，其可以用于太阳能、风能发电装置的辅助电源，可以将发电装置所产生的能量以较快的速度储存起来，并按照设计要求释放。
与传统蓄电池相比，超级电容器对于充/放电的电流没有严格限制，更加适合太阳能和风能发电装置电流波动范围较大的特点，且具有长寿命和免维护的优点。
另外，在军事航天领域，超级电容器可以作为潜艇和船只等设备的主辅电源，坦克、装甲车的超低温启动电源等。
通过以上介绍，可以发现超级电容器在实际生活中有着很大的应用范围。
超级电容器及其相关材料的研究
超级电容器及其相关材料的研究一、本文概述随着科技的不断进步和可持续发展理念的深入人心，超级电容器作为一种高效、环保的储能器件，正日益受到全球科研人员和工业界的广泛关注。
超级电容器以其高功率密度、快速充放电、长循环寿命等诸多优点，在新能源汽车、电子设备、航空航天等领域展现出广阔的应用前景。
本文旨在全面综述超级电容器及其相关材料的研究现状和发展趋势，分析超级电容器的性能特点，探讨新型电极材料的研发与应用，以期推动超级电容器技术的进一步发展，并为相关领域的研究人员提供有益的参考和启示。
本文首先介绍了超级电容器的基本原理、分类及性能特点，为后续研究提供理论基础。
随后，重点综述了近年来超级电容器电极材料的研究进展，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，并分析了各类材料的优缺点及适用场景。
本文还关注了电解质材料、隔膜材料等关键组件的研究现状，以及超级电容器的制造工艺和应用领域。
结合当前面临的挑战和未来发展趋势，本文展望了超级电容器技术的创新方向和应用前景，以期为未来相关研究提供有益的借鉴和指导。
二、超级电容器的基本原理与分类超级电容器，又称电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件。
它具有极高的电荷储存能力，能在极短的时间内释放出大量的能量，从而满足了现代电子设备对高功率、快速充放电的需求。
基本原理：超级电容器的基本原理与传统的平行板电容器类似，都涉及到电荷的储存和释放。
然而，超级电容器的电极材料通常是具有高比表面积的纳米多孔材料，如活性炭、金属氧化物和导电聚合物等。
这些高比表面积的电极材料使得超级电容器能在极小的体积内储存大量的电荷，从而实现了高能量密度。
同时，超级电容器的电解质通常具有高的离子电导率，这有助于实现快速的充放电过程。
碳基超级电容器：以活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳材料为电极，利用碳材料的高比表面积和良好的导电性实现高能量密度和高功率密度。
金属氧化物超级电容器：以金属氧化物（如RuO₂、MnO₂、NiO等）为电极，利用金属氧化物的高赝电容特性实现更高的能量密度。
金属化合物超级电容器电极材料研究现状
第52卷第7期 辽 宁 化 工 Vol.52，No. 7 2023年7月 Liaoning Chemical Industry July，2023收稿日期： 2021-07-20金属化合物超级电容器电极材料研究现状王晶鑫，张艳丽*，张强，董亮亮（沈阳化工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110142）摘 要： 超级电容器是相比于锂离子电池等传统电池更具有优势的电容技术。
电极材料是超级电容器中最重要的组成部分，它决定了超级电容器的性能，故在研究时引起了学者们的高度关注。
由于电极材料的不同，在储能机理上具有不同的性质与差别。
金属化合物作为电极材料中理论比电容优良的材料，具有很高的研究价值。
着重围绕金属氧化物、金属硫化物以及金属氢氧化物3个方面分析，对当前金属化合物作为超级电容器电极材料发展方向和相应的研究进展进行归纳，目的是对金属化合物作超级电容器电极材料方面的优劣势进行一定的认识，从而在其发展研究上提供一些参考。
关 键 词：超级电容器；电极材料；金属氧化物；金属硫化物；金属氢氧化物中图分类号：TM911 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2023）07-1035-04目前，严重污染环境的煤炭等化石能源存在着消耗殆尽的可能，并且无法再生[1]。
因此，开发新的清洁能源已成为人类所要面临的新问题，而对其进行开发利用正是解决能源问题行之有效的途 径[2]。
但是，这些清洁能源受限于地理位置、自然环境、存储转化率低等问题无法大面积应用。
超级电容器[3]自身也是一种储能设备，可以避开目前新能源应用面临的障碍，实现能量存储和转化的连续性。
其工作电压范围更宽、能量释放更高、循环寿命更长，同时原材料对环境友好。
超级电容器具有两种储能机制：一种是在电极/电解质界面因静电电荷累积而形成的电容，称为双电层电容[4]；另一种是在电极表面上，活性物质欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附，产生和电极充电电位相关的电容，称为赝电容[5]。
电化学电容器电容器电极材料研究现状-PPT精品文档
一. 简介 二. 三种不同的电容器（电极材料是决定电
化
学电容器的核心因素） 三. 面临的问题 四. 发展前景 五. 产品
简介
电化学电容器（Electrochemical Capacitor, EC），又
称作超大容量电容器（Ultracapacitor）和超级电容器 （Supercapacitor）。它是一种介于电容器和电池之间 的新型储能器件。与传统的电容器相比，电化学电容 器具有更高的比容量。与电池相比，具有更高的比功 率，可瞬间释放大电流，充电时间短，充电效率高， 循环使用寿命长，无记忆效应和基本免维护等优点。 因此它在移动通讯，消费电子，电动交通工具，航空 航天等领域具有很大的潜在应用价值。
有序介孔材料 开放分类： 材料、科技 有序介孔材料是上世纪90年代迅速兴起的新型纳米结构材料，它一诞生就得到国际物理学、化学 与材料学界的高度重视，并迅速发展成为跨学科的研究热点之一。有序介孔材料虽然目前尚未获得大规模的工业化应用，但它所具有的 孔道大小均匀、排列有序、孔径可在2－50nm范围内连续调节等特性，使其在分离提纯、生物材料、催化、新型组装材料等方面有着巨 大的应用潜力。 化工领域 有序介孔材料具有较大的比表面积，相对大的孔径以及规整的孔道结构，可以处理较大的分子或基团，是很好 的择形催化剂。特别是在催化有大体积分子参加的反应中，有序介孔材料显示出优于沸石分子筛的催化活性。因此，有序介孔材料的使 用为重油、渣油等催化裂化开辟了新天地。有序介孔材料直接作为酸碱催化剂使用时，能够改善固体酸催化剂上的结炭，提高产物的扩 散速度，转化率可达90％，产物的选择性达100％。除了直接酸催化作用外，还可在有序介孔材料骨架中掺杂具有氧化还原能力的过渡元 素、稀土元素或者负载氧化还原催化剂制造接枝材料。这种接枝材料具有更高的催化活性和择形性，这也是目前开发介孔分子筛催化剂 最活跃的领域。 有序介孔材料由于孔径尺寸大，还可应用于高分子合成领域，特别是聚合反应的纳米反应器。由于孔内聚合在一定程度 上减少了双基终止的机会，延长了自由基的寿命，而且有序介孔材料孔道内聚合得到的聚合物的分子量分布也比相应条件下一般的自由 基聚合窄，通过改变单体和引发剂的量可以控制聚合物的分子量。并且可以在聚合反应器的骨架中键入或者引入活性中心，加快反应进 程，提高产率。 生物医药领域 一般生物大分子如蛋白质、酶、核酸等，当它们的分子质量大约在1～100万之间时尺寸小于10nm，相对分 子质量在1000万左右的病毒其尺寸在30nm左右。有序介孔材料的孔径可在2－50nm范围内连续调节和无生理毒性的特点使其非常适用于 酶、蛋白质等的固定和分离。实验发现，葡萄糖、麦芽糖等合成的有序介孔材料既可成功的将酶固化，又可抑制酶的泄漏，并且这种酶 固定化的方法可以很好地保留酶的活性。 生物芯片的出现是近年来高新技术领域中极具时代特征的重大进展，是物理学、微电子学与分 子生物学综合交叉形成的高新技术。有序介孔材料的出现使这一技术实现了突破性进展，在不同的有序介孔材料基片上能形成连续的结 合牢固的膜材料，这些膜可直接进行细胞/DNA的分离，以用于构建微芯片实验室。 药物的直接包埋和控释也是有序介孔材料很好的应 用领域。有序介孔材料具有很大的比表面积和比孔容，可以在材料的孔道里载上卟啉、吡啶，或者固定包埋蛋白等生物药物，通过对官 能团修饰控释药物，提高药效的持久性。利用生物导向作用，可以有效、准确地击中靶子如癌细胞和病变部位，充分发挥药物的疗效。 环境和能源领域 有序介孔材料作为光催化剂用于环境污染物的处理是近年研究的热点之一。例如介孔TiO2比纳米TiO2（P25）具有更高 的光催化活性，因为介孔结构的高比表面积提高了与有机分子接触，增加了表面吸附的水和羟基，水和羟基可与催化剂表面光激发的空 穴反应产生羟基自由基，而羟基自由基是降解有机物的强氧化剂，可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。此外，在有序 介孔材料中进行选择性的掺杂可改善其光活性，增加可见光催化降解有机废弃物的效率。 目前生活用水广泛应用的氯消毒工艺虽然杀死 了各种病菌，但又产生了三氯甲烷、四氯化碳、氯乙酸等一系列有毒有机物，其严重的“三致”效应（致癌、致畸形、致突变）已引起 了国际科学界和医学界的普遍关注。通过在有序介孔材料的孔道内壁上接校γ－氯丙基三乙氧基硅烷，得到功能化的介孔分子筛CPS－ HMS，该功能性介孔分子筛去除水中微量的三氯甲烷等效果显著，去除率高达97％。经其处理过的水体中三氯甲烷等浓度低于国标，甚 至低于饮用水标准。 有序介孔材料在分离和吸附领
超级电容器电极材料的研究与改进
超级电容器电极材料的研究与改进超级电容器（Supercapacitor）是一种储能装置，它具有高能力和高功率下的优良性能。
它可以用于各种应用，如电池替代、能量回收、电力传输和电动车辆等。
超级电容器结构由两个互为电解质的电极和中间的离子传导体组成。
其中电极材料的性能对超级电容器的性能影响巨大。
因此，研究和改进超级电容器电极材料成为了一个重要的课题。
目前，研究者们致力于寻找更加高效和便宜的电极材料。
传统的电极材料如活性炭因其大比表面积和良好的电导率被广泛使用。
然而，活性炭的能量密度较低，限制了超级电容器的进一步发展。
因此，许多研究者开始探索新的电极材料，以提高超级电容器的能量密度。
一种被广泛研究和改进的电极材料是金属氧化物。
金属氧化物具有高比容量和良好的电导率，因此在超级电容器领域备受关注。
例如，钼酸盐具有大的比电容和较高的电导率，因此被广泛应用于超级电容器电极材料的改进中。
此外，一些金属氧化物如二氧化锰、氧化钴和氧化镍等也具有良好的电容性能，被用于制备超级电容器，不断提高其能量密度。
另一个备受研究者关注的电极材料是导电聚合物。
导电聚合物具有良好的电导率和可调控的化学结构，具备优良的超级电容器特性。
聚苯胺是一种常用的导电聚合物材料，它具有高比电容、良好的电导率和化学稳定性。
聚苯胺可以与无机电极材料结合，形成复合电极，提高超级电容器的性能。
此外，近年来，氧化石墨烯等新型导电聚合物也受到研究者们的关注，为超级电容器电极材料的改进提供了新的思路。
除了金属氧化物和导电聚合物，纳米材料也成为超级电容器电极材料研究的热点。
纳米材料具有较高的比表面积和活性，可以提高电容器的储能能力。
纳米材料的使用可以增加电极材料的电化学反应界面，提高电容器的能量密度和功率密度。
常见的纳米材料有二氧化硅、二氧化钛、碳纳米管等，它们的应用为超级电容器的性能提升带来了新的可能。
除了研究和改进电极材料的种类，研究者们还对电极材料的制备方法进行了深入研究。
超级电容器材料的研究及应用
超级电容器材料的研究及应用超级电容器是一种利用电场存储电能的能量存储器，其在电化学和电磁学理论上都有一定的发展。
超级电容器具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点，在现代航空、汽车、宇航和智能电网等领域有着广泛的应用。
而超级电容器的核心是电极材料，所以先进的电极材料能够带来超级电容器工作性能更好的表现。
一、超级电容器电极材料的研究现状目前，超级电容器电极材料的研究集中在以下领域：（1）金属氧化物材料的研究。
金属氧化物，如钼酸锂、钴酸镍等，具有优异的电极电化学性能，同时元素资源广泛，价格低廉，因此在超级电容器电极材料领域得到了广泛的研究与应用。
（2）碳材料的研究。
碳材料是制备超级电容器电极材料的主要原材料之一，具有良好的导电性和热稳定性。
而以活性炭为代表的多孔碳材料还具有大表面积、高比电容等优良性质，因此在超级电容器电极材料以及电池、传感器等领域应用广泛。
（3）二维材料的研究。
二维材料，如石墨烯和硼氮化物，具有高比表面积、方便处理的优势，已被广泛研究作为超级电容器电极材料。
尤其石墨烯由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性等特性，在超级电容器电极材料研究中被广泛关注。
（4）金属有机骨架材料的研究。
金属有机骨架材料，即MOFs，是由金属离子和有机配体组成的晶态材料，具有极大的内孔体积以及可调控的孔径和结构。
这种新型材料具有极高的表面积和储能密度，是超级电容器电极材料研究的热点之一。
二、超级电容器电极材料的制备方法超级电容器电极材料的制备方法主要分为化学还原法、水热法、煅烧法、氧化还原电位法等。
其中化学法是制备超级电容器电极材料的常规方法，其通过调节反应条件，可控制电化学行为，实现材料的优异电化学性能；而水热合成是在相对低的温度和压力下，通过压剂或表面修饰剂，实现材料形貌和结构的微观调控；氧化还原电位法是通过扫描电位电化学法控制电位，调控材料的化学反应，从而实现精准控制。
三、超级电容器材料的应用超级电容器在现代工业、航空、军事、医学等领域得到了广泛的应用。
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魏祥当前，化石能源短缺和全球变暖导致的能源和环境问题日益凸显，大力发展清洁和可再生能源成了不可逆转的趋势。
超级电容器作为一种介于传统电容器和锂离子电池之间的新型储能体系，其功率密度显著高于锂离子电池，能量密度是传统电容器的10 ～ 100倍[1]。
同时还具有快速充放电、循环寿命长、库伦效率高及瞬时大电流充放电等特性，应用前景广阔。
超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是建立在Helmholz界面双电层理论基础上的一种全新的电容器，超级电容器已在电动汽车、移动通讯、太阳能和风力发电、航空航天和国防科技等方面发挥着重要作用[2]。
1.超级电容器概述超级电容器( supercapacitors或ultracapacitors)，又称电化学电容器( electrochemical capacitors) 一般由电极材料、电解液、集流体和隔膜等组成，见图1中a和b，其中电极材料是影响其电化学性能的关键因素之一，而电解液则决定着超级电容器的工作电压窗口。
一般，超级电容器依据以下几种方式进行分类[3]：1) 根据电解液可分为水系电解液电容器有机电解液电容器以及固态电解液电容器；2) 根据电化学电容器的结构可分为对称型电容器和非对称型电容器；3) 根据电极材料及储能机理可分为双电层电容器法拉第赝电容器和混合型电容器。
C）图1. a)超级电容器充放电示意图；b)超级电容器装置示意图c) 超级电容器工作原理示意图双电层电容器的储能机理是在大比表面积的碳材料电极和电解质界面吸附相反电荷的正负离子，电荷储存在界面双电层中，通过电化学极化进行可逆吸/脱附从而储存和释放能量。
双电层电容器的电极主要为多孔碳材料，如活性炭、碳纳米管、介孔、碳和碳化物衍生碳等[4]。
对于这些碳材料，决定双电层电容性能的因素主要有材料比表面积、电导率和孔隙率，但很少有碳电极材料可以在这三个方面均有优异的表现，因此，人们仍在不断研究碳基双电层电容器材料。
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。
双电层材料下的柔性超级电容器电极分析
双电层材料下的柔性超级电容器电极分析一、柔性超级电容器电极材料的研究现状柔性超级电容器电极材料的主要研究方向包括碳基材料、导电高分子、金属氧化物、过渡金属氧化物等。
碳基材料作为双电层超级电容器的主要电极材料之一，具有比表面积大、导电性能好、化学稳定性高等优点，因此受到了广泛关注。
目前，碳纳米管、石墨烯、活性炭等碳基材料被广泛用于柔性超级电容器的电极材料。
导电高分子如聚噻吩、聚吡咯等也因其具有良好的柔性和导电性能成为了柔性超级电容器电极材料的研究热点。
金属氧化物和过渡金属氧化物由于其优异的电化学性能也得到了广泛关注。
目前，柔性超级电容器电极材料研究的主要挑战包括：①传统的柔性电极材料往往存在能量密度低、循环寿命短等问题；②传统的电极制备方法难以满足柔性超级电容器对电极材料的柔性要求；③电极材料的成本和环保性也是亟待解决的问题。
由于双电层效应的存在，双电层材料在柔性超级电容器中得到了广泛的应用。
双电层效应是指电极表面存在的电容效应，当电解质中的离子在电极表面形成电二层时，构成了电极的双电层。
在双电层电容器中，电荷的存储主要是通过电荷积累在电极表面的双电层上实现的。
双电层材料的设计和应用对于柔性超级电容器的性能至关重要。
目前，石墨烯和活性炭等碳基材料被广泛应用于双电层超级电容器中。
石墨烯具有大的比表面积、良好的导电性能和化学稳定性，是一种非常理想的双电层材料。
其在柔性超级电容器中的应用可以大大提高电极的比电容和循环寿命。
活性炭具有丰富的孔结构和优异的表面化学性质，能够提供更多的电解质存储空间和更好的电荷传输通道，是一种性能优异的双电层材料。
氧化石墨烯、碳纳米管等碳基材料也因其优异的双电层性能而被广泛应用于柔性超级电容器中。
除了碳基材料外，金属氧化物和过渡金属氧化物也是重要的双电层材料。
金属氧化物具有丰富的氧含量和可调控的电子结构，能够提供充足的储能空间和优异的电极活性，因此在柔性超级电容器中具有重要的应用前景。
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功能材料课程报告指导老师：学院：材料科学与工程学院专业：材料加工工程姓名：学号：日期: 2012 年7 月13 日超级电容器电极材料研究现状及存在问题摘要:电极材料是决定电容器性能的重要因素，高性能电极材料的开发是超级电容器研发的重点。
本文主要讨论了超级电容器阳极材料的研究现状及存在问题，这些材料包括：碳材料、贵金属氧化物、导电聚合物和一些其他材料。
复合或混合型电极材料可以显著提高超级电容器的综合性能，已经成为超级电容器电极材料发展的主要趋势。
关键词:超级电容器；电极材料；研究现状；存在问题1电极材料的研究现状1.1正极材料目前用作超级电容器电极的材料主要有三类:碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。
1.1.1碳材料碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。
碳电极电容器主要是利用储存在电极与电解液界面的双电层能量，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。
尽管高比表面的碳材料比表面积越大，容量也越大，但实际利用率并不高，因为多孔碳材料中孔径一般要2nm及以上的空间才能形成双电层，从而进行有效的能量储存。
而制备的碳材料往往存在微孔(小于2nm)不足的情况。
所以这个系列主要是向着提高有效比表面积和可控微孔孔径(大于2nm)的方向发展。
除此之外，碳材料的表面官能团、导电率、表观密度等对电容器性能也有影响[1]。
碳电极电容器其电容的大小和电极的极化电位及电极比表面积大小有关，故可以通过极化电位的升高和增大电极比表面积达到提高电容大小的目的。
电极/电解质双电层上可贮存的电量其典型值约为15~40μF·cm-2。
选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电容。
对理想可极化体系而言，可通过无限提高充电电压而大量储存能量。
但是，对于实际体系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制，可通过加大电极比表面积来增加电容值。
电容C可由下式给出C=ε·ε0Adε为电导体和内部赫姆霍兹面间区域的相对式中:ε0为自由空间的绝对介电常数，介电常数，A为电极表面积，d为导体与内赫姆霍兹面之间的距离。
近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布，并开发出许多不同类型的碳材料，主要有: 多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维、碳气溶胶以及最近才开发的碳纳米管等[2]。
多孔碳材料、活性碳材料和活性碳纤维：这个排列基本代表了碳材料为提高有效比表面积的发展方向。
之所以发展为活性碳，主要是在于通过活化处理(如水蒸汽)后，可以增加微孔的数量，增大比表面积，提高活性碳的利用率。
这些材料随制作电极工艺的不同先后出现过:活性碳粉与电解液混合制成的糊状电极；用聚四氟乙烯作粘结剂将活性碳粉粘结成型，成园片状电极以及活性碳/碳复合体的固体电极等。
到目前为止，已找到有比表面积超过3000m2/g的活性碳材料，但其实际的利用率仅为10%左右(因为<2nm的微孔是不能形成双电层的)。
致使活性碳电极材料的电容量最高只达到280F/g和120F/s(分别在水电解液和非水电解液中)。
但由于其价格低廉，在市场上一直占有重要的地位[3]。
碳气溶胶材料：由于活化碳材料不能有效的控制微孔的孔径分布，造成比表面积的浪费，于是出现了碳气溶胶这种新材料·这种碳气溶胶是由于Lawrenee Livermore National Laboratory公司的R.W.Pekala研究小组开发的。
将间苯二酚和甲醛按摩尔比1:2混合后，溶解在适量的去除离子且重蒸馏的水中，用碳酸钠作为碱性试剂，然后经一系列处理得到碳气溶胶。
这种方法制得的碳气溶胶的比表面积为100、700 m2/g，密度为0.3、1.09g/cm”，但微孔可控制在一定的狭小范围，从而避免因微孔<2nm而不能形成双电层的限制。
这种形态使得该材料具有能将所储能量迅速放出的能力，从而从理论上讲具有高的功率密度。
将这种碳气溶胶作成超级电容器的电极，微孔玻璃纤维为隔膜，4mof/L的氢氧化钾为电解液，组装成超级电容器。
所得的电容器的功率可达7.7kw/kg，能量E可达27.38J/g(充电电压1.2v)，比容量39F/g(以碳和电解液的重量之和为准，水电解液)。
但由于此材料的制备繁琐费时，给其应用带来了一定的困难。
碳纳米管材料：随着1991年碳纳米管的首次正式提出，由于其独特的结构性能广泛地引起了各界人士的关注。
其应用现在已涉及到纳米电极器件，新型储氢材料，催化剂载体材料，高性能复合材料，以及最近才开发的电池、电容器电极材料。
碳纳米管作超级电容器电极材料有它的优越性:结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔集中在一定范围内(且微孔大小可控)。
从理论上讲应是做超级电容器的理想材料。
据现在报道的文献来看，用碳纳米管作电极材料大致有两种方法。
一种是加粘合剂成型法；另一种是直接经过滤加热成型。
采用直接热成型法作的电容器电极材料，单位比表面积为430 m2/g；用38wt%的硫酸作电解液，聚合物做隔极层，最高容量可达113F/g(0.001Hz)，在0.1Hz时，其容量可达108F/g。
体现了相对高频放电的优点，这同样也预示着由碳纳米管为电极材料做的电容器具有高的能量密度，而实验结果也确实证明它具有>8kw/kg的能量密度。
采用粘合成型而成的电容器电极材料，也采用38wt%的硫酸作电解液，酚醛树脂作粘合剂，玻璃纤维做隔极层，石墨片做集电体，比容量可达15-25F/cm”，后来经过进一步改进，掺杂75%的RuO2·xH2O时，电容器的比容量可达107F/cm”，即600F/g。
另据E.Rackowiak等人的报道，掺金属铿的碳纳米管电极在Liclo；电解液中在1.5-3v之间充放电时，表现出良好且独特的高压下的双电层电容效应，容量可达30F/g(非水电解液)。
预示碳纳米管的另一潜在用途。
其实，碳纳米管用作电化学超级电容器电极材料的研究还有许多工作有待进行，比如:碳纳米管的石墨化程度，碳纳米管管径的大小，碳纳米管的长度，碳纳米管的弯曲程度，以及不同处理方式所带来的碳纳米管接上基团的不同等都会对由它组成的电化学超级电容器的性能产生很大的影响。
现在就我们的研究来看，石墨化程度低、管径小、长度短、比表面积大的碳纳米管具有更好的可逆容量。
据现有的碳纳米管制备工艺来看，现己由我所做到公斤级，且理论成本低廉(催化剂可循环使用，只需碳源和电能)。
且根据碳纳米管的生长机理，催化剂(金属颗粒)位于管径中，所以可以进行一系列的包裹实验，充分利用其比表面积大和金属的假电容现象，可望得到大容量且高功率的超级电容器[4]。
碳材料系列超级电容器电极材料正朝向高比表面积方向发展。
电极材料通过各种活化手段，使比表面积不断提高，但同时需考虑使材料的微孔孔径>2nm，提高材料的有效比表面积。
1.1.2贵金属氧化物金属氧化物作为超级电容器电极材料的研究是基于法拉第准电容储能原理，即是在氧化物电极表面及体相发生的氧化还原反应而产生的吸附电容。
其电容量远大于活性炭材料的双电层电容，但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性比法拉第电容器好。
金属氧化物主要是贵金属氧化物，对贵金属氧化物电极电容器的研究，主要采用RuO2，IrO2等贵金属氧化物作为电极材料。
由于RuO2电极的导电性比碳电极好，电极在硫酸中稳定，可以获得更高的比能量，制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能。
以RuO2·nH2O无定型水合物作电极，5.3 mol·L-1H2SO4作电解液所制得的电容器比电容能达到700 F·g-1；而以无定型水合物MnO2·nH2O作电极，2 mol·L-1KCl水溶液作电解液所制得的电容器比电容也可达到200 F·g-1。
比较而言，因为在中性KCl水溶液中材料比较稳定，不发生化学副反应，以KCl水溶液作电解液适用于多种电极材料。
贵金属氧化物系列超级电容器电极材料正朝向提高材料本身的利用率方向发展。
即是说，通过将材料转化为无定型态或使材料细小化(如做成纳米粉末)等手段，增加材料与电解液的接触机会，提高材料本身的利用率[4]。
1.1.3电聚合物电极：导电聚合物电极电容器作为一种新型的电化学电容器，具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。
可通过设计选择相应聚合物的结构，进一步优选提高聚合物的性能，从而提高电容器的性能。
导电聚合物电极电容器可分为3种类型: (1)对称结构——电容器中两电极为相同的可p型掺杂的导电聚合物(如聚噻吩)；(2)不对称结构——两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料(如聚吡咯和聚噻吩)；(3)导电聚合物可以进行p 型和n型掺杂，充电时电容器的一个电极是n型掺杂状态而另一个电极是p型掺杂状态，放电后都是去掺杂状态，这种导电聚合物电极电容器可提高电容电压到3 V，而两电极的聚合物分别为n型掺杂和p型掺杂时，电容器在充放电时能充分利用溶液中的阴阳离子，结果它具有很类似蓄电池的放电特征，因此被认为是最有发展前景的电化学电容器。
导电有机聚合物系列超级电容器电极材料正朝向与无机碳材料系列相互杂化和开辟新型高效导电有机聚合物方向发展。
导电有机聚合物系列超级电容器电极材料具有工作电位高，水和非水电解液都适合的特点，在非水电解液和固体电解液超级电容器方面有潜在的应用价值。
1.1.4 除以上所述的三大系列超级电容器电极材料外，据文献报道，还有一些物质(比如杂多酸等)也用作超级电容器电极材料，同样也取得了良好的效果。
杂多酸作为超级电容器电极材料的研究主要集中在12一磷钥杂多酸。
因为与其他杂多酸相比，它具有良好的质子传导性，电子传导性和大比表面积的特点。
选用经处理过后的Nafion117薄膜作为隔膜，且充当固体电解液，以经处理过的12一磷钥杂多酸作超级电容器一电极，水合的HxRuO·xH2O作为另一电极，组成不对称的超级电容器:H3pMo12O4·nH2O//Nafion117//HxRuO·xH2O。
这种电容器具有固体电解质的优点，不具腐蚀，操作使用方便；且具有良好的可逆比容量112F/g，能量密度可达36J/9。
为超级电容器电极材料的发展做了有益的补充[5]。
1.2负极材料超级电容器负极材料主要是炭材料，商业化使用的负极炭材料主要是石墨。
国内各厂家技术的差异不大，主要是材料性能的差异。
2存在问题2.1碳材料电极存在的问题从实用来讲，碳材料无疑是目前超级电容器各类电极材料中最具吸引力的，它几乎是市面上所有产品共同的选择，现在用于超级电容器的正极材料主要是高比表面积活性炭材料，但它的成本占到产品总成本的近30%，是导致超级电容器的生产成本较高的主要原因，这在一定程度上限制了超级电容器的推广应用，而锂离子电池正极材料已获得一定的成熟度，且成本较低。