超级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
超级电容器电极材料的研究进展
作者：徐梦洁
来源：《工业设计》2015年第09期
摘要：超级电容器是一种重要的新型储能设备和器件。它介于传统静电容器和锂离子电池之间，既具有高的功率密度，可实现快速充放电，同时具有可观的能量密度，更长的循环寿命和更宽的使用温度范围。电极材料是决定超级电容器性能的关键因素，高性能电极材料的制备是目前超级电容器研究的重点。综述了超级电容器的机理、电极材料的研究现状以及未来展望。
关键词：超级电容器；电极材料；研究进展
1 引言
为了解决能源枯竭问题和各种非清洁能源对环境造成的负面影响，清洁能源的开发与应用已经成为一个世界性的课题。用于对能源形式进行转化的光电、光解水产氢等材料与器件的蓬勃发展，以及对能量的富集与存储也是新能源产业不可忽视的重要组成部分。锂离子电池（LIB）和超级电容器（SC）等电化学储能装置具有可观的能量密度和功率密度，而超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能器件，兼有传统电容器功率密度大和二次电池能量密度高的优点，且充电速度快、循环寿命长、对环境无污染，被广泛应用于汽车工业、航空航天、国防科技、信息技术、电子工业等多个领域。
近年来，研究人员开发了多种电极材料，目前公认将其分为三大类，即碳基电极、金属氧化物、导电聚合物。目前，超级电容器的电化学性能，尤其是能量密度仍无法满足实际需要。以活性炭为主的碳基材料电极的比电容值为100～250F/g，尽管在碳基材料的结构、形貌研究方面已有很多进展，但其比电容从根本上受EDLC储电机制的限制而无法提高。过渡金属氧化物材料（RuO2、MnO2等）赝电容比电容可达300～1000F/g，为碳基材料的10～100倍，但其本身导电性差从而导致其容量释放困难，倍率性能降低。导电聚合物电极材料通过在聚合物膜中发生快速可逆n型和p型元素掺杂和去掺杂的氧化还原反应从而储存较多电荷。但当作为块体材料使用时，导电聚合物循环性能差，电容衰减严重，可能是发生了显著的体积变化且导电性降低导致电化学性能严重衰减。合理设计电极材料微结构，以及电极材料的制备工艺与设计上都存在很大的提升空间。
超级电容器电极材料的研究参考完成
• （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%。
4.超级电容器电极材料及研究现状
• （四）、金属复合材料 • 金属复合电极材料目前研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。
或在基片上先沉积锰盐或纯锰，然后通过热分解或者氧化 方法生成氧化锰电极。制备过程不加入粘结剂和导电材料 ，因此该方法制备的电极一般都有比较薄，使得电解液与 氧化锰材料的接触机会增多，电解质的利用率较高，因此 制备的电极比容量相对比较高。 • 制备方法： ➢ 电化学法 ➢ Sol-Gel法 ➢ 真空蒸发法
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参考资料
MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究共3篇
MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究共3篇
MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究1
随着人们对于无线电子产品的需求越来越高，电容器这种能够存储电荷的器件就显得格外重要。近些年来，MXene基超级电
容器电极材料在电容器领域中备受瞩目，因其高电导率和大的比表面积而被认为是一种有前途的电极材料。
MXene是一类具有极高导电性和良好的机械韧性的二维材料，
在MXene中的极性化学官能团使其具有极高的表面积。在此基础上，MXene基超级电容器电极材料的制备与电化学性能研究
已经成为研究人员们的热点之一。
MXene基超级电容器电极材料的制备主要采用水解或氧化剂的
化学反应，将MXene制成大小不同而多孔的结构；或通过物理蚀刻的方式，用激光或电子束在MXene表面定位刻蚀出微小孔洞。在制备过程中，要控制好反应条件，如PH值和反应温度
等参数，以使得制得的MXene基超级电容器电极材料具有更好的电化学性能。
关于MXene基超级电容器电极材料的电化学性能研究，主要首先关注其比电容和能量密度等性能指标，以探究其在电容器领域中的优势。实验发现，MXene具有很高的比电容和能量密度，这使得其在超级电容器领域具备很好的潜力。同时，在稳定性和循环寿命等方面也表现出了较好的性能，具有很强实用价值。
总的来说，MXene基超级电容器电极材料的制备和电化学性能
研究已经得到了很大的发展和突破。但是要想将其真正应用于商业化生产中，还需进行更深入的探究和完善。未来，通过不断进行研究和改进，MXene基超级电容器电极材料的应用必将
超级电容器的现状及发展趋势
超级电容器的现状及发展趋势
一、本文概述
随着科技的飞速发展和人类对能源需求的日益增长，超级电容器作为一种新兴的储能器件，正逐渐在能源储存和转换领域崭露头角。本文旨在全面概述超级电容器的现状及其未来发展趋势，从而为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考。
本文将回顾超级电容器的历史发展，探讨其从概念提出到实际应用的过程。文章将详细介绍超级电容器的基本原理、结构特点以及性能优势，以便读者对其有深入的理解。在此基础上，文章将重点分析当前超级电容器在各个领域的应用状况，如交通运输、电力储能、电子设备等领域。同时，文章还将探讨超级电容器在实际应用中面临的挑战和问题，如成本、安全性、寿命等。
本文还将关注超级电容器的未来发展趋势。随着材料科学、纳米技术、电化学等领域的进步，超级电容器的性能有望得到进一步提升。文章将预测超级电容器在未来可能的技术突破和市场应用前景，包括新型电极材料的开发、电容器结构的优化、以及与其他能源储存技术的融合等。
本文将全面梳理超级电容器的现状及其未来发展趋势，旨在为读者提供一个清晰、全面的视角，以便更好地把握超级电容器在能源储存和转换领域的发展动态。
二、超级电容器的现状
超级电容器，作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，以其独特的性能优势在现代能源领域引起了广泛的关注。目前，超级电容器的应用已经渗透到了许多领域，包括交通、能源、工业、电子等。
在交通领域，超级电容器以其高功率密度和快速充放电的特性，被广泛应用于电动公交、混合动力汽车以及电动汽车的启动和加速过程中。超级电容器能够在短时间内提供大量的电能，使车辆在短时间内达到较高的速度，从而提高车辆的动力性能。超级电容器还可以作为车辆的辅助能源，与电池配合使用，延长车辆的续航里程。
基于碳材料的超级电容器电极材料的研究
基于碳材料的超级电容器电极材料的研究
一、本文概述
随着能源需求的日益增长和环境保护的迫切需求，高效、环保的能源存储技术已成为当今科研领域的热点之一。超级电容器，作为一种新型的电化学储能器件，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、移动通讯、航空航天等领域具有广泛的应用前景。而电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接决定了超级电容器的电化学性能。因此，研究和开发高性能的电极材料对于提高超级电容器的性能和应用领域具有重要意义。
本文旨在探讨基于碳材料的超级电容器电极材料的研究进展。文章将概述超级电容器的基本原理、分类及其应用领域，进而介绍碳材料作为超级电容器电极材料的优势，包括其高导电性、高比表面积、良好的化学稳定性等。随后，文章将重点综述近年来基于碳材料的超级电容器电极材料的研究进展，包括不同种类的碳材料（如活性炭、碳纳米管、石墨烯等）在超级电容器中的应用，以及通过结构设计、表面修饰等方法优化碳材料电化学性能的研究。文章还将讨论当前研究面临的挑战以及未来的发展趋势，以期为基于碳材料的超级电容器电极材料的研究提供参考和借鉴。
二、碳材料概述
碳材料，以其独特的物理和化学性质，已成为众多领域研究的热点。作为构成生命的重要元素，碳在自然界中的存在形式多种多样，如石墨、金刚石等。这些碳的同素异形体各有特色，如石墨具有优良的导电性和层状结构，金刚石则以其极高的硬度著称。在材料科学领域，碳材料以其高比表面积、良好的化学稳定性、优良的导电性以及丰富的可调控性，被广泛应用于电极材料、催化剂载体、吸附材料等多个方面。
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]。电极材料可以分为3种：首先是质量轻、稳定性好、来源广、价格便宜、但难以达到高容量的碳材料；其次是理论比电容大、原材料储量丰富、发展潜力巨大的金属化合物；最后是导电性好、价格低、环保的导电聚合物。
超级电容器氧化钌电极材料的研究进展专业知识讲座
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氧化钌当之形处，态请联结系本构人或及网站荷删除电。 机理
在酸性溶液中, 氧化钌的氧化还原反应一般可简单地表示为: 由于溶胶R凝uO胶a（法OH所）制b+备б的H+水+б合e氧+=R化uO钌a-准б（电O容H）大b,+б因此目前以该方法制备超级 电容器用氧化钌材料的居多。溶胶凝胶法制备的氧化钌前驱体后期一般要 进行热处理, 产物的形态结构对热处理温度很敏感（图二）。
一般低于150 ℃煅烧时, RuO2·x H2O的X射线衍射光谱 (XRD)图上没有可辨别的峰,为无 序结构。热处理温度高于200℃, 即能看到尖锐的衍射峰,无定形 结构转变成了晶体结构。当然结 构转变温度会因溶胶凝胶过程中 的具体方式而偏高或偏低。
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/电解液界面上
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类电容的产生机制与
电荷分离所产生
双电层电容不同并伴
的双电层电容
随电荷传递过程的发
(double layer
生，这种电容被称为
capacitance)
Faraday准电容 （
Faradaicpseudo-
capacitance）。
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柔性超级电容器电极材料的设计、制备及性能研究
柔性超级电容器电极材料的设计、制备及性能研究
一、本文概述
随着能源需求的日益增长和环境保护的迫切需求，高效、环保的能源存储技术已成为全球科研和产业界的研究热点。其中，超级电容器作为一种能够快速存储和释放大量电能的电子器件，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点，被广泛应用于电动汽车、移动通信、航空航天等领域。然而，传统的超级电容器电极材料往往存在柔韧性差、比容量低等问题，限制了其在可穿戴设备、柔性电子等领域的应用。因此，研究和开发新型柔性超级电容器电极材料，对于推动超级电容器技术的进一步发展和拓宽其应用领域具有重要意义。
本文旨在探讨柔性超级电容器电极材料的设计、制备及性能研究。我们将介绍柔性超级电容器的基本原理、分类及应用领域，阐述柔性电极材料的重要性。我们将综述目前柔性超级电容器电极材料的研究进展，包括常见的电极材料类型、制备方法及其优缺点。在此基础上，我们将提出一种新型的柔性超级电容器电极材料的设计思路，并详细介绍其制备过程、结构表征及电化学性能测试方法。我们将对所制备的柔性电极材料进行系统的性能评估，包括其比容量、循环稳定性、倍率性能等，并探讨其在实际应用中的潜力。
通过本文的研究，我们期望能够为柔性超级电容器电极材料的设
计和制备提供新的思路和方法，推动超级电容器技术的创新和发展，为未来的能源存储和转换领域做出贡献。
二、超级电容器基础知识
超级电容器（Supercapacitor），也称为电化学电容器（Electrochemical Capacitor），是一种具有高能量密度和高功率密度的电子器件。与传统的电容器和电池相比，超级电容器在储能和放电速度上都具有显著的优势。其基础知识主要涉及电极材料、电解质、工作原理以及性能参数等方面。
超级电容器的能量密度提升要求与电极材料研究
超级电容器的能量密度提升要求与电极材料研究
超级电容器是一种新型的电能存储装置，其具有高功率密度、长循环寿命、快速充放电等特点，因此被广泛应用于电动车辆、电力系统调度和储能等领域。但是，与传统的化学电池相比，超级电容器的能量密度仍然较低，这成为其应用范围受限的主要原因之一。因此，提升超级电容器的能量密度成为了当前超级电容器研究的一个重要方向。
要提升超级电容器的能量密度，首先需要通过改进电极设计来增加电容器的结构密度。电极是超级电容器中最重要的部分之一，其性能直接影响到电容器的能量密度。目前，常用的电极材料主要包括活性碳、金属氧化物和导电高分子材料等。研究表明，采用纳米级的活性材料可以增加电极的比表面积，进而提升电容器的能量密度。因此，通过控制电极材料粒径和形貌，可以有效地提高电容器的能量密度。
其次，提升超级电容器的能量密度还需要优化电解质的选择和设计。电解质是超级电容器中的另一个重要组成部分，其主要功能是提供离子导电的通道。目前，常用的电解质种类包括有机电解质和无机电解质。要提高电容器的能量密度，可以采用高氧化还原电势和低电阻的电解质，以增加超级电容器的工作电压。此外，研究人员还利用纳米孔和介孔材料等技术来改善电解质在电极表面的吸附性能，从而减小电容器的内阻，提高能量密度。
除了改进电极和电解质，提升超级电容器的能量密度还可以通过设计新型的电极结构来实现。例如，研究人员在电极上引入
纳米线、多孔结构和复合材料等，可以增加电容器的电容量和能量密度。此外，利用软模板法、自组装技术和原子层沉积等方法，可以制备出具有高表面积和多孔性的电极材料，进一步提高电容器的能量密度。
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。
纳米结构硫化钴作为超级电容器电极材料的研究进展
2016年第35卷第11期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·3549·
化工进展
纳米结构硫化钴作为超级电容器电极材料的研究进展
李浩楠
（天津大学化工学院，天津市应用催化科学与工程重点实验室，天津 300072）摘要：纳米结构硫化物因其独特的物理和化学性质，在超级电容器应用中展现出优良的电化学性能。本文以硫化钴多样的纳米形貌、与石墨烯的复合材料以及在导电基底上的直接生长为主线，综述了近年来国内外关于超级电容器以硫化钴作为电极材料的研究进展。归纳总结了硫化钴纳米结构的制备方法及其提高电化学性能的原理。与石墨烯的复合以及在导电基底上的直接生长则有利于结构稳定和电子传输，进而提高了倍率性能和循环稳定性。最后指出，硫化钴纳米中空结构的设计、修饰，与石墨烯的复合方式，对导电基底的预处理方式和开发纳米结构导电基底以及为商业化设计简单高效、价格低廉的大规模生产路线，将是未来研究的重点。
关键词：超级电容器；纳米结构；电化学
中图分类号：O 614.81+2 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）11–3549–09
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.025
Research progress of nanostructured cobalt sulfides materials for
supercapacitors
LI Haonan
（Tianjin Key Laborotary of Applied Catalysis Science and Engineering，School of Chemical Engineering and
超级电容器电极材料
超级电容器电极材料
超级电容器作为一种新型的储能设备，具有高功率密度、长循环寿命和快速充
放电等优点，因此在电子设备、新能源汽车和可再生能源等领域具有广泛的应用前景。而超级电容器的性能很大程度上取决于其电极材料，因此研究和开发高性能的电极材料对于提高超级电容器的性能至关重要。
目前，常见的超级电容器电极材料主要包括活性碳、氧化铁、氧化钴、氧化镍等。活性碳是一种常见的电极材料，具有比表面积大、孔隙结构丰富的特点，能够提供更多的储存空间，但其导电性较差，限制了其在高功率应用中的表现。氧化铁、氧化钴和氧化镍等金属氧化物具有较高的导电性和储能密度，但循环寿命较短，容量衰减严重，限制了其在实际应用中的发展。
为了克服现有电极材料的局限性，近年来，石墨烯、碳纳米管、金属有机骨架
材料等新型材料被广泛应用于超级电容器的电极材料中。石墨烯具有优异的导电性和比表面积，能够提高超级电容器的电极反应速率和循环寿命；碳纳米管具有高导电性和优异的力学性能，能够增强电极材料的稳定性和耐久性；金属有机骨架材料具有多孔结构和可调控的化学成分，能够提供更多的储能空间和增强电极材料的稳定性。
除了单一材料外，复合材料也成为超级电容器电极材料的研究热点。将不同种
类的材料进行复合，可以充分发挥各自材料的优点，同时弥补其缺陷，从而提高电极材料的整体性能。例如，将石墨烯与金属氧化物复合，可以兼顾导电性和储能密度；将碳纳米管与金属有机骨架材料复合，可以提高电极材料的稳定性和循环寿命。
总的来说，超级电容器的电极材料需要具有高导电性、大比表面积、丰富的孔
211072974_柔性超级电容器及其研究进展
的功率密度、更长的循环寿命和更快的充 放 电 操 作 [2]。
然而,超级电容也面临着能量密度偏低的难题。所 以,
在保证超级电容 器 柔 性 及 灵 活 性 的 前 提 下,如 何 最 大
限度提高其能量密度是超级电容器研究领域最核心的
问题。从超级电 容 器 的 分 类、材 料 特 性 及 发 展 现 状 对
进展与述评
·3·
2023 年第 3 期
性和酸性溶液。 对 于 纺 织 基 超 级 电 容 器 来 说,在 考 虑
柔性、伸缩、弯曲 等 多 种 条 件 下,柔 性 的 固 态 电 解 质 才
是最合适的。目前基于聚合物凝胶电解质的固态氧 化
还原电容器被广 泛 研 究,其 中 电 解 质 材 料 包 括 聚 乙 烯
氧化物复合材料、聚乙二醇复合材料、聚甲基丙烯酸 甲
酯复合材料。然 而,所 有 的 固 态 氧 化 还 原 超 级 电 容 器
都还处于研制阶段。
作为 超 级 电 容 器 的 重 要 组 成 部 分,电 解 质 对 超 级
电容器的性能有着显著的影响。聚乙烯醇(
速度、内阻、循环 稳 定 性 主 要 是 由 电 池 电 极 决 定 的,由
然而,由于导 电 率 低、体 积 变 化 大,导 致 严 重 的 电
于其有更高的能 量 密 度,目 前 在 柔 性 超 级 电 容 器 中 同
超级电容器用活性炭电极材料的研究进展
超级电容器用活性炭电极材料的研究进展*
邢宝林,谌伦建,张传祥,黄光许,朱孔远
(河南理工大学材料科学与工程学院,焦作454003)
摘要 活性炭因具有制备简单、成本低、比表面积大、导电性好以及化学稳定性高等特点,作为超级电容器电极材料已得到广泛应用。论述了活性炭电极超级电容器的工作原理及活性炭物化性质对超级电容器电化学性能的影响,介绍了活性炭电极材料的最新研究进展,展望了其应用前景,指出寻找新炭源及活化技术、探索活性炭孔结构和表面性质的有效控制手段、开发活性炭复合材料等是该领域今后研究的重点方向。
关键词 活性炭 电极材料 超级电容器 电化学性能中图分类号:TQ424.1;T M 53 文献标识码:A
Research Progress of Activated Carbon Electrode Material for Supercapacitor
XING Baolin,CHEN Lunjian,ZHAN G Chuanxiang,H U ANG Guangxu,ZHU Kongyuan
(Institute of M ater ials Science and Eng ineering ,H enan Po ly technic U niver sity,Jiaozuo 454003)
Abstract A ct ivated car bo n has been used w idely as the supercapacit or elect rode mat erial for its easy av ailabil-i ty,lo w cost,high specific sur face ar ea,excellent elect rical co nductivit y and chemical st abilit y.T he w orking pr inciple of super ca pacito r w ith activ ated carbon as electro de and effect of phy sicochemica l propert ies o f activated carbon on electro chemical perfor mance of supercapacit or ar e discussed,recent r esear ch adv ances and a pplicat ion pr ospect of act-i vated car bon electro de mater ial ar e highlighted.T he fo cus of fut ur e r esear ch such as search for new r aw materials and activat ion technolog y for activat ed carbon,ex plo ring an effectiv e method to contro l t he por e structur e and surface propert ies o f activat ed carbon and develo pment of activated car bo n co mpo site are also po inted o ut.
超级电容器的电极材料的研究进展
超级电容器的电极材料的研究进展
一、本文概述
随着科技的不断进步和新能源领域的飞速发展，超级电容器作为一种高效、快速储能器件，已逐渐引起科研工作者和工业界的广泛关注。作为超级电容器的核心组件，电极材料的性能直接影响着超级电容器的电化学性能和实际应用效果。研究和开发高性能的电极材料对于提升超级电容器的整体性能、推动其在新能源领域的应用具有十分重要的意义。
本文旨在对超级电容器的电极材料的研究进展进行全面的梳理
和综述。文章首先介绍了超级电容器的基本原理和电极材料在其中的作用，然后重点阐述了当前常用的电极材料类型，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，并分析了它们各自的优势和存在的问题。接着，文章综述了近年来在电极材料研究方面取得的重要突破和进展，包括材料结构设计、复合材料的开发、表面改性等方面的研究。文章对超级电容器电极材料的研究趋势和未来发展方向进行了展望，以期为相关领域的研究者提供参考和借鉴。
二、超级电容器概述
超级电容器（Supercapacitor），亦称为电化学电容器
（Electrochemical Capacitor），是一种介于传统电容器和电池之
间的储能器件。其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命以及良好的环境适应性等特点，因此在能源储存和转换领域引起了广泛关注。
超级电容器的储能原理主要基于电极材料表面和近表面的快速、可逆的法拉第氧化还原反应或非法拉第的静电吸附过程。相比于传统电容器，超级电容器能够提供更高的能量密度而相较于电池，它又具备更高的功率密度和更快的充放电速度。这些独特的性能使得超级电容器在电动汽车、可再生能源系统、移动通讯、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
超级电容器炭电极材料的研究
超级电容器炭电极材料的研究
一、本文概述
随着全球能源需求的持续增长以及环境问题的日益严重，高效、环保的能源存储技术成为了科学研究的热点。超级电容器作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其高功率密度、快速充放电性能以及长循环寿命等优点，在电动汽车、智能电网、便携式电子设备等领域具有广泛的应用前景。炭电极材料作为超级电容器的核心组成部分，其性能直接决定了超级电容器的电化学性能。因此，研究高性能的炭电极材料对于推动超级电容器技术的发展具有重要意义。
本文旨在探讨超级电容器炭电极材料的研究现状、发展趋势以及未来挑战。我们将对超级电容器的基本原理和炭电极材料的分类进行简要介绍。随后，重点分析不同类型炭电极材料的制备工艺、结构特征以及电化学性能，并对比其优缺点。我们还将讨论炭电极材料在超级电容器应用中的实际问题，如循环稳定性、能量密度和功率密度等。结合当前的研究热点和技术难点，展望超级电容器炭电极材料未来的发展方向，以期为相关领域的研究提供有益的参考和启示。
二、超级电容器炭电极材料概述
超级电容器，作为一种介于传统电容器和电池之间的新型储能器件，因其具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命以及宽广的工作温度范围等优点，受到了广泛的关注和研究。而炭材料，因其优异的导电性、高比表面积、良好的化学稳定性以及低廉的成本，成为了超级电容器电极材料的理想选择。
炭电极材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。活性炭是最早被用于超级电容器的炭材料，其具有高比表面积和良好的孔结构，可以提供大量的电荷存储位置。碳纳米管因其独特的一维结构和优异的电子传输性能，成为了超级电容器电极材料的研究热点。石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，因其超高的比表面积、良好的导电性和化学稳定性，被认为是超级电容器炭电极材料的未来之星。
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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)
℃。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，
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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。
随着1991年碳纳米管的首次发现，由于其独特的结构性能，广泛地引起了各界人士的关注。碳纳米管 (CNTs)作为超级电容器的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。Niu等[10]用平均直径约为8nm的碳纳米管制成薄片电极，具有用活性炭和其它碳纤维很难得到的开孔结构。当采用38%的硫酸作为电解质，在1Hz频率下的比容量为102F/g，100Hz频率下的比容量为49 F/g，比功率超过8000W/kg。
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。
3 金属氧化物以及水合物材料
常见金属氧化物及水合物材料的介绍一些金属氧化物以及水合物是超级电容器电极的很好材料。金属氧化物电极在超级电容器中产生的法拉第准电容比碳材料电极表面的双电层电容要大许多。因为在金属氧化物电极上发生快速可逆的电极反应，而且该电极反应能深入到电极内部，因此能量存储于三维空间中，提高了能量密度[11]。
Ru的氧化物以及水合物作为超级电容器电极材料的研究报道很多，而且性能也比较好，但是Ru 属于贵金属，成本较高，不利于工业化大规模生产。因此，人们开始寻找其他廉价的金属材料来代替Ru。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MnO2，通过比较发现，用溶胶凝胶法制备的MnO2的比电容量比用沉积法制备的MnO2高出1/3，达到698F/g，且循环1500次后，容量衰减不到10%[12]。
除了氧化锰之外，氧化镍和氧化钴材料也是非常具有发展潜力的超级电容器电极材料。也有研究者试验用其他金属氧化物作超级电容器材料。如采用多孔的V2O5的水合物作电极的活性物质，比容量可达350F/g。
金属复合电极材料目前研究的重点是找出合适的金属或氧化物来替代Ru，减少Ru用量，降低成本，并提高电极材料的比电容。程杰等[13]采用超薄型烧结复合镍钴电极(Co:Ni约1:4，厚度为0.31mm)为正极，用比电容达250F/g的活性炭电极为负极，7mol/L KOH溶液为电解液组装成的超级电容器，恒流充放电效率高，倍率性能较好,自放电较小,比能量达到16Wh/kg，最大比功率达10kW/kg (以正、负电极质量之和为基准)。
张宝宏等[14]在MnO2中添加了PbO，用以抑制电化学惰性物质Mn3O4的生成和积累，从而改善电极的性能。从2000次的循环性能看，在电流密度为50mA/cm时，添加-PbO的MnO2电极仍具有较好的循环性，容量衰减不到10%。
也有研究者[15]将多孔纳米结构的SnO2用电化学的方法沉积到价格低廉的不锈钢电极上制备出复合电极，用0.1M的Na2SO4溶液做电解液，组成发生氧化还原反应的法拉第准超级电容器。然后用循环伏安法进行表征，测得最大的特征阻抗为285F/g。而且，随着SnO2质量的增多，特征阻抗也呈现增大的趋势。
4 导电聚合物电极材料
导电聚合物材料由于缺乏有效的长程有序，其内部自由电荷的运动受到限制，因而大多数导电聚合物的导电性较差，但在导电聚合物材料处于掺杂状态下时，其导电性显著提高，电活性增强。虽然聚合物材料的导电性对其应用产生了一些限制，但在其应用于超级电容器的电极材料时，由于材料表面和内部分布着大量的可充满电解液的微孔，并且能形成网络式立体结构，电极内电