聚苯胺碳纤维柔性超级电容器电极材料的研究
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)℃。
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。
聚苯胺纳米纤维的界面聚合法制备及电化学电容特性研究的开题报告
聚苯胺纳米纤维的界面聚合法制备及电化学电容特性研究的开题报告一、研究背景在能源存储和转化领域，电化学超级电容器作为一种高能量密度和高功率密度的能量储存设备，吸引了越来越多的关注。
聚苯胺作为一种主要的电化学电容材料，其具有较高的比电容和良好的循环稳定性等特点。
然而，其电化学性能仍然需要进一步提高。
近年来，纳米纤维材料因其较大的比表面积和良好的导电性能成为一种非常有前途的电化学电容材料。
二、研究内容本课题拟通过界面聚合法制备聚苯胺纳米纤维，并对其电化学电容特性进行研究。
具体实验内容包括：1.制备聚苯胺纳米纤维：采用聚乙烯醇-聚丙烯酸钠共混物作为模板，在其表面吸附阳离子表面活性剂（例如十六烷基三甲基溴化铵），使模板表面带正电荷。
然后将苯胺等单体溶解在负离子表面活性剂（例如十二烷基硫酸钠）水溶液中，通过静电作用使单体分子在模板表面排列，随后进行氧气氧化聚合反应制备聚苯胺纳米纤维。
2.表征聚苯胺纳米纤维：使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶红外光谱（FTIR）等技术对聚苯胺纳米纤维进行表征。
3.制备聚苯胺纳米纤维电极：将制备的聚苯胺纳米纤维作为电极材料，通过涂布或者染料敏化方法制备超级电容器电极。
4.测试电化学性能：使用循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）等电化学测试技术，对聚苯胺纳米纤维电极的电化学电容特性进行测试分析。
三、研究意义本研究旨在探究界面聚合法制备聚苯胺纳米纤维及其在超级电容器中的应用，为电化学超级电容器的研究和应用提供新思路和新材料。
同时，也为聚合物纳米纤维材料的合成和应用提供一种新方法和新技术。
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。
电极材料：超级电容器的电极材料是其核心组成部分，直接影响其电化学性能。
常见的电极材料包括碳材料（如活性炭、碳纳米管、石墨烯等）、导电聚合物（如聚吡咯、聚苯胺等）以及金属氧化物（如氧化钌、氧化锰等）。
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。
超级电容器材料
超级电容器材料超级电容器是一种能够快速存储和释放大量电能的电子元件，它具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快速充放电等特点，因此在许多领域都有着广泛的应用前景。
而超级电容器的性能很大程度上取决于其材料的选择，因此超级电容器材料的研究和开发显得尤为重要。
目前，常见的超级电容器材料主要包括活性炭、氧化铅、镍氢氧化物、聚苯胺等。
活性炭是一种常见的电极材料，它具有高比表面积和良好的导电性，能够提供良好的电容性能。
氧化铅具有良好的导电性和化学稳定性，适合用于电解质。
镍氢氧化物具有高比容量和良好的循环寿命，是一种优秀的电极材料。
聚苯胺具有良好的导电性和循环稳定性，适合用于制备电极材料。
除了以上常见的超级电容器材料外，近年来，一些新型材料也开始受到关注。
例如，二维材料（如石墨烯、硫化钼、氮化硼等）因其特殊的结构和优异的电化学性能，被认为是潜在的超级电容器材料。
此外，金属有机框架材料、碳纳米管、氧化钛等材料也展现出了良好的电容性能，受到了广泛关注。
在超级电容器材料的研究中，除了单一材料的研究外，复合材料也成为了研究的热点之一。
通过将不同材料进行复合，可以充分发挥各种材料的优点，从而实现超级电容器性能的进一步提升。
例如，将活性炭与氧化铅复合，可以提高电容器的能量密度；将聚苯胺与氧化钛复合，可以提高电容器的功率密度。
此外，超级电容器材料的研究还需要考虑材料的制备工艺、表面改性、电极结构设计等方面的问题。
通过优化材料的制备工艺，可以提高材料的比表面积和导电性能；通过表面改性，可以改善材料的电化学性能和循环稳定性；通过设计合理的电极结构，可以提高电容器的能量密度和功率密度。
总的来说，超级电容器材料的研究和开发是一个综合性的课题，需要涉及材料科学、化学工程、电化学等多个领域。
随着材料科学和技术的不断进步，相信未来会有更多新型超级电容器材料的出现，为超级电容器的性能提升和应用拓展提供更多可能性。
超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究
超级电容器复合电极材料制备及电化学性能研究1. 本文概述随着现代科技的发展，能源存储技术正面临着前所未有的挑战和机遇。
超级电容器作为一种重要的能源存储设备，因其高功率密度、快速充放电能力、长寿命周期和环境友好性而受到广泛关注。
在超级电容器的构造中，复合电极材料的研发尤为关键，其直接决定了超级电容器的电化学性能和整体效能。
本文旨在探讨超级电容器复合电极材料的制备方法及其电化学性能。
本文将对目前广泛研究的几种复合电极材料，如碳材料、金属氧化物、导电聚合物等，进行系统的综述。
这些材料在超级电容器中的应用优势和面临的挑战将被详细讨论。
接着，本文将重点介绍几种创新的复合电极材料制备技术，包括化学气相沉积、水热合成、溶胶凝胶法等。
这些方法在制备过程中对材料结构和形貌的控制，以及对电化学性能的影响将被深入分析。
本文将通过实验数据，评估所制备的复合电极材料在超级电容器中的实际应用性能，包括比电容、能量密度、循环稳定性等关键指标。
通过这些研究，本文旨在为超级电容器复合电极材料的发展提供新的视角和技术路径，推动能源存储技术的进步。
2. 文献综述超级电容器，也称为电化学电容器，是一种介于传统电容器和电池之间的能量存储设备。
它们的主要特点是具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电能力。
超级电容器的储能机制主要是双电层电容，涉及电极材料与电解质之间的电荷分离。
这一领域的研究起始于20世纪50年代，随着材料科学和电化学技术的进步，超级电容器在能量存储领域的重要性日益凸显。
超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料的性质。
近年来，研究者们广泛关注复合电极材料，因其能够结合不同材料的优点，从而提高超级电容器的整体性能。
常见的复合电极材料包括碳基材料、金属氧化物、导电聚合物等。
这些材料通过不同的复合策略（如物理混合、化学接枝、层层自组装等）进行组合，旨在提高比电容、能量密度和循环稳定性。
电化学性能是评估超级电容器电极材料的关键指标。
超级电容器有机导电聚合物电极材料的研究进展
超级电容器有机导电聚合物电极材料的研究进展3陈光铧,徐建华,杨亚杰,蒋亚东,葛 萌(电子科技大学光电信息学院,成都610051)摘要 有机导电聚合物是一类重要的超级电容器电极材料。
有机聚合物掺杂状态下,因具有共轭结构,从而提高了电子的离域性,对外表现可以导电。
根据掺杂类型和组合的不同,超级电容器有机聚合物电极可分为3种基本类型。
阐述了有机聚合物电极的导电原理和分类,介绍了有机聚合物电极的研究现状和发展趋势。
关键词 电化学超级电容器 导电聚合物 聚苯胺 聚噻吩 混合类型电容器 全固态超级电容器Progress in Research on Conductive Polymer Elect rode Materials for SupercapacitorsC H EN Guanghua ,XU Jianhua ,YAN G Yajie ,J IAN G Yadong ,GE Meng(College of Opto 2electronic Information ,University of Electronic Science and Technology of China ,Chengdu 610051)Abstract Conducting polymer is a kind of important supercapacitor electrode materials.The electronic deloca 2lization of polymer will be enhanced for the conjugate structure in doped state.Conducting polymers are divided into three kinds of basic types according to the kind of doping and association.The principle and classification of the con 2ducting polymer are introduced.Recent progress in research and development on conducting polymer electrode mate 2rials for supercapacitors is reviewed.K ey w ords electrochemical supercapacitor ,conducting polymer ,polyaniline ,polythiophene ,hybrid capacitor ,all 2solid 2state electrochemical supercapacitor 3国家自然科学基金(60771044);电子薄膜与集成器件国家重点实验室开放课题(KFJJ 200806) 陈光铧:男,1984年生,硕士,研究方向为有机高分子材料及器件 Tel :028********* E 2mail :ghchen4@ 徐建华:男,1966年生,教授,主要从事有机电子材料及器件研究 Tel :028********* E 2mail :xujh9913@0 引言超级电容器是一种性能介于电池与传统电容器之间的新型储能器件,具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长等优点,有着广阔的应用前景,如可用于便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源及应急后备电源等。
超级电容器及其电极材料的研究
第5期2018年10月No.5 October，2018随着人类对友好型社会的美好向往，大家逐渐开始重视可再生能源，然而可再生能源不适合电能输送，因其不稳定、不连续性会影响输电质量。
因此我们需要开发良好的储能装置。
超级电容器凭借它具有的诸多良好性质而被关注。
不同电极材料影响着超级电容器的性能，因此我们应注重电极材料的研究。
超级电容器是介于电池和传统电容器之间通过极化电解质储能的电源[1]。
其充电速度快、放电能力超强、循环使用时间长，而且其功率密度极高。
目前研究的主要有法拉第准电容（赝电容）和双电层电容器两种类型。
1 赝电容赝电容是电活性物质处于潜在沉积下，在电极上发生可逆的化学吸附、解吸或氧化还原反应，产生电极的充电电位[2]。
赝电容的电极材料有以下几种。
1.1 金属氧化物氧化钌材料的比电容较大、导电性能极好，但其价格较为昂贵，并不能广泛应用；氧化锰价格低廉、对环境友好、性能良好，价态较多容易获得且价格低廉，因此被广泛使用；氧化镍导电性能好、易获取、制备简单，也很有发展前景。
1.2 复合金属氧化物钼酸盐因其催化和电化学性能的优异性而被研究作为电极材料，有实验小组研究了COMOO 4/MnMOO 4异质结构纳米材料的超电容性，结果发现，COMOO 4纳米棒活性电极电化学性能优异；有文献报道了用NiCO 2O 4作为赝电容的电极材料，其常用的制备方法有水热法（溶剂热法）、微波辅助法、模板法、电沉积法、共沉淀法等；据报道，CuCO 2S 4成功用熔剂法合成，结果显示制得的花瓣状的CuCO 2S 4材料具有较高的比电容、充放电速率很优良、循环性也很稳定，因其特殊的3D 结构，导电率较高、比表面积较大而体现出优异的赝电容性能。
1.3 导电聚合物导电聚合物是利用掺杂原理使材料电导率处于半导体和导体范围间，其主链上含有交替的单键与双键，形成共轭大π体系，因π电子流动而能导电[3]。
其可使用的温度范围宽、其寿命长。
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。
超级电容器的电极材料是其性能的决定性因素。
理想的电极材料应具备高比表面积、高电导率、良好的化学稳定性和环境友好性等特点。
目前，研究者们已经开发出多种类型的电极材料，包括碳材料、金属氧化物、导电聚合物等。
这些材料各有优势，但也存在一些问题，如比能量低、循环稳定性差等。
聚苯胺纳米纤维在电化学电容器中的应用研究
高功率和高容量性 能，引起 了人们 的广泛注 意。储 能于
电化 学 电 容 器 的 电 能 可 分 为 双 电层 电容 （ ＤＬ Ｅ Ｃ）和 法 拉 第 准 电 容／ 电 容 （ ｓｄ ｏ ａａ ｉ ｎ ｅ 卜 。 前 者 与 赝 Ｐ ｅｕ ｃｐ ｃ ａ ｃ ）【引 ｔ
维普资讯
范 围对修饰 电极 比 电容 的影响 ． 关键词 ： 聚苯胺 ；纳米纤维 ： 电化学 电容器 ；循环伏 安法 中图分类号 ： Ｔ ３ ３ Ｍ５ Ｑ ２ ；Ｔ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ．７ １ ｏ ７增 刊一３ ６ｏ ０ １ ３（ ｏ） ９ ２ ｌ ｌ 一３
Ｌ ２ ０ （ 力科化 学 电子高技术有 限公 司，天津 ）上 Ｋ ０５ 兰 进行实验 。
２天津 大 学 化 工 学 院 化 学 工 程 系 ， 天 津 ３ ０ ７ ） ． ０ ０ ２
摘 要 ： 电化 学 电容 器具有 高功 率、 高容 量的性 能 ， 引起 了人们 的广泛 关注 。本研 究采 用 电化 学法，在 不锈
钢 电极上 沉积聚苯胺纳 米纤维。通过扫描 电镜 （ Ｅ ） ＳＭ
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２０ 年增刊 （８ 卷 ０７ ３）
聚苯胺纳 米纤维 在 电化学 电容 器 中的应用研 究
褚青献 ，李寒露 ２ ，王纪孝 ，王 志 ，张凤 宝 ２ 王世 昌
（． １ 天津大学 化工 学院 化学工程研 究所 ，化 学工 程联合 国家重 点实验室 ，天津 ３ ０ ７ ； ０ ０ ２
钢钢柱 电极 为工作 电极 ，饱 和氯化钾甘汞 电极 （ Ｃ ） Ｓ Ｅ 为参 比电极 ，铂 电极 为对 电极在 Ｐ Ｒ一７ Ａ （ Ｓ Ａ ２ ３ Ｕ Ａ）和
超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究
4.学位论文刘黎明RuO<,2>包覆的TiO<,2>纳米复合电极材料及其在超级电容器中的应用2005
超级电容器是一种介于电池与传统电容器之间的新型储能器件。由于兼有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的特性,超级电容器具有许多特殊的用途,如用于混合电动汽车、高功率脉冲激光器、便携式电子器件等。超级电容器的电容来自于电极材料与电解液界面处所形成的双电层,或者是发生在电极材料表面或内部的氧化还原反应。电极材料是决定其性能的关键因素,因此研发新颖的电极材料一直是超级电容器领域的热点。相比其他电极材料来说,RuO2由于导电性好、电化学性能稳定、比电容量高,被认为是最好的超级电容器电极材料,但由于RuO2价格昂贵限制了它的实用化。因此如何最大限度地提高RuO2的利用率,降低成本是制备基于RuO2的高性能超级电容器面临的最大挑战。
超级电容器作为一种新型的储能元件,以其优异的功率特性和循环性能而得到广泛关注。人们在对电容器的研究过程中,重点在于研究和开发具有高比能量,高比功率电容的电极材料的研究上。目前用于超级电容器的电极材料主要有三种:碳素材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。其中作为超级电容器电极材料的聚苯胺(PANI)因为具有高比容量、快速的动态充放电性能和掺杂/脱掺杂过程以及良好的化学稳定性、低廉的成本而成为第二代超级电容器电极材料的首选。本文按照用于电极材料的PANI的不同形式,对PANI电极材料的几个类型进行了简要介绍。
超级电容器电极材料的设计与性能研究
超级电容器电极材料的设计与性能研究超级电容器 (Supercapacitor) 是一种高能量密度、高功率密度的新型电化学储能装置，被广泛应用于电动汽车、可穿戴设备和可再生能源等领域。
作为超级电容器的核心组成部分，电极材料的设计与性能研究对提高超级电容器的储能性能具有关键意义。
1. 介绍超级电容器的背景和发展超级电容器是基于双电层电容和赝电容机制工作的，具有高电容量、高电子传导速率和长循环寿命等优势。
随着可再生能源的快速发展和电动化趋势的加速推进，超级电容器作为储能装置备受关注。
然而，要实现超级电容器在能源存储和释放方面的更好性能，电极材料的设计与性能研究至关重要。
2. 电极材料的设计原则电极材料的设计需要兼顾电容量、电导率、表面积、孔径尺寸、化学稳定性等因素。
首先，电极材料应具有高比表面积，以增加双电层电容储能的有效表面积。
其次，电极材料应具有优异的导电性能，以实现电子的快速传输和离子的高效转移。
此外，电极材料的孔径尺寸应适合离子的扩散，并保持充分的电解液渗透性。
最后，电极材料应具有良好的化学稳定性和循环寿命，以确保超级电容器的长期可靠性。
3. 常用电极材料及其性能研究（1）活性碳：活性碳广泛用作超级电容器电极材料，具有较高的比表面积和优良的化学稳定性。
研究表明，通过调控活性碳的孔径尺寸和微观形貌，可提高其电容量和循环寿命。
此外，杂原子掺杂和纳米结构工程也被应用于活性碳的改性，进一步提高了其储能性能。
（2）氧化物：金属氧化物如二氧化锰、三氧化二铝等也是常用的电极材料。
这些氧化物具有良好的化学稳定性和较高的比容量。
然而，氧化物电极材料的电导率较差，限制了超级电容器的功率密度。
因此，研究者通过纳米材料制备、碳包覆等手段改善其电导率，进一步提高氧化物电极的储能性能。
（3）聚合物：聚合物电极材料近年来备受关注，因为它们具有高的表面积、优良的导电性能和良好的化学稳定性。
聚合物可以通过聚合反应、电化学聚合等方法合成，并进行结构调控和功能化改进。
聚苯胺电极材料制备
聚苯胺电极材料制备
聚苯胺电极材料是一种重要的电活性材料，可以用于制备电化学传感器、超级电容器、锂离子电池等电化学器件。
以下是一种常见的聚苯胺电极材料制备方法：
1. 材料准备：准备好苯胺单体、过硫酸铵和适量的溶剂（如水、乙醇等）。
2. 溶液制备：将适量的苯胺单体和过硫酸铵溶解在溶剂中，搅拌均匀，形成聚苯胺溶液。
3. 沉积：将电极基底（如玻碳电极）浸入聚苯胺溶液中，通过电化学方法进行沉积。
具体操作方法可采用循环伏安法或恒电流电位法。
4. 沉积条件：根据需要，可以通过控制循环伏安曲线或电流密度来调节沉积时间和电流大小，以实现不同形态和性能的聚苯胺电极材料。
5. 洗涤和干燥：将沉积后的电极基底取出，用适量的溶剂对其进行洗涤，去除掉残留的溶剂和杂质。
然后将电极基底放入干燥器中进行干燥，得到聚苯胺电极材料。
需要注意的是，在制备过程中要注意控制沉积条件、溶剂的选择和洗涤步骤，以确保得到高质量的聚苯胺电极材料。
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。
在超级电容器炭电极材料的研究中，如何提高其比表面积、优化孔结构、改善导电性能以及提高电化学稳定性是研究的重点。
通过物理或化学活化方法，可以增大活性炭的比表面积并改善其孔结构，从而提高其电荷存储能力。
超级电容器用导电聚苯胺基电极材料的制备与电容性能分析
随着科学的发展，各项生产工作对储能器件工作能力的需求越来越高。
新型储能器件超级电容器在传统电容器工作优势的基础上新增了电池能量密度较高的优点。
电容器的功率更高，使用寿命更长，使用过程中的维修率更低，污染程度也更轻。
超级电容器中的双电层电容器功率高、使用寿命长，不足在于能量密度偏低。
而法拉第电容器恰好相反，内部能量密集程度显著，在工作状态下，其工作与氧化还原有关，可能会降低电容器的循环寿命。
将聚苯胺用作电容器电极的原材料，可发挥聚苯胺材料合成方便、形貌可控的优势[1]。
该文分析了超级电容器用导电聚苯胺基电极材料的制备与电容性能，有助于推动超级电容器的研究进展，并将超级电容器应用于太阳能、风能发电，助力社会经济发展。
1 超级电容器与聚苯氨电极材料概述1.1 超级电容器目前，储能装置研究领域重点关注了超级电容器的研制与发展。
与传统电容器相比，超级电容器既有相似之处，也有不同之处。
相似点：储能机理类似，充、放电过程效率较高，使用寿命较长，电容器能量密度较高。
不同点：超级电容器的功率密度显著较高，比传统电容器超出进90倍之多[2-3]。
鉴于超级电容器的上述应用优势，其在现阶段的新能源发展中成了研究的热点课题与重要发展方向，被应用于新能源发电、并网发电。
应用于新能源交通工具，可降低对石化资源的依赖性。
同时油电混合动力汽车还有助于减轻大气污染。
未来，超级电容器有望在军事领域进行拓展应用。
激光武器、潜艇、导弹及航天飞机等军事武器搭载超级电容器后，将达到更高的使用功率，提升战备军事实力。
1.2 导电聚苯胺基材料电极材料决定了超级电容器的电化学性能。
目前的电极材料应用研究领域主要在开发具有更高高比容量的新材料，目的是改善电容器的电极性能。
导电聚合物的电化学优势众多，其中较广泛的电压窗口、高导电率以及高比容量等特点最突出，并且导电聚合物的电化学活性易于控制，极大地提升了其在电容器电极材料中的应用表现。
此外，在性价比方面，导电聚合物的优势也比较明显。
聚苯胺电解质材料的性质和应用研究
聚苯胺电解质材料的性质和应用研究导言聚苯胺是一种聚合物，具有良好的导电性和稳定性，被广泛应用于电化学传感、能量存储和转化等领域。
电解质是电化学传感和电化学能量存储的关键组成部分，聚苯胺作为一种电解质材料，具有许多独特的性质和广泛的应用前景。
本文将从聚苯胺电解质材料的性质和应用两个方面进行探讨。
一、聚苯胺电解质材料的性质1. 导电性聚苯胺具有良好的导电性，可以由不导电的化合物通过电化学氧化还原反应变成导电的物质。
在导电性能方面，聚苯胺被广泛用于电化学传感领域。
由于聚苯胺电解质具有好的导电性能，可以用于制备超级电容器、燃料电池和锂离子电池等电化学器件。
2. 稳定性聚苯胺电解质具有优异的稳定性，即在酸碱环境下，聚苯胺电解质的性能依然稳定。
这种稳定性使得聚苯胺电解质可以在不同的环境条件下工作，具有广泛的应用前景。
3. 界面反应能力在聚苯胺电解质材料中，通过控制聚苯胺分子内部的化学键的结构，可以调控电解液-电极的界面反应，从而实现高效的电能转化与储存。
在聚苯胺的分子中，不同的物理或化学性质的官能团之间可以通过共价结构发生作用，使得聚苯胺电解质材料具有重要的应用价值。
二、聚苯胺电解质材料的应用1. 电化学传感器聚苯胺电解质材料被广泛应用于电化学传感器中，这是因为聚苯胺具有良好的电导性，具有对电化学分子酶传感器和电化学生物传感器等传感器的优异的性能和可升级性，使得聚苯胺电解质材料成为电化学传感器制备的重要材料。
2. 超级电容器超级电容器是电化学能量存储器中的一种，具有高功率密度、快速储能和电池寿命长等优点。
聚苯胺电解质材料可以作为超级电容器的储能部分，使超级电容器具有更好的电化学特性。
3. 锂离子电池锂离子电池作为目前电动汽车和电子设备中广泛应用的电化学储能器材料，聚苯胺电解质是锂离子电池中的应用重点领域之一。
聚苯胺电解质材料具有优异的离子导电性和电化学稳定性，可以为锂离子电池的优化提供新的解决方案。
结论总体而言，聚苯胺电解质作为一种多功能材料，由于其良好的导电性和稳定性，被广泛应用于电化学传感、能量存储和转化等领域。
柔性电极材料的国内外研究进展
文章编号:1001-9731(2021)02-02039-11柔性电极材料的国内外研究进展*武畏志鹏,邹华,宁南英,田明(北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029)摘要:近年来,随着柔性可穿戴设备㊁触觉反馈设备㊁能量收集器等领域的快速发展,介电弹性体(D E)及超级电容器(S C)因能够提共高能量㊁高储能效率以及可小型化而备受关注,有着非常广泛的应用㊂由于柔性电极的性能直接影响D E的发电和驱动效率以及S C的储能效率,因而其是D E和S C的重要组成部分㊂基于柔性电极材料的不同类型,本文首先对碳电极㊁金属电极㊁复合型电极等几种典型的电极材料及其性能进行了详细介绍㊂然后,对电极的制备方法进行了阐述㊂接着,总结了由柔性电极材料组装的D E和S C在各领域的应用,并对电极材料所面临的问题及挑战进行了分析㊂最后,对柔性电极材料的发展趋势进行了展望㊂关键词:介电弹性体;超级电容器;碳电极;金属电极;复合电极中图分类号: T B34;T B333;T B324文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2021.02.0060引言电极材料属于一种导体材料,用作固体㊁气体或电解质溶液等导电介质中输入或输出电流的两个端㊂柔性电极一般用在介电弹性体或超级电容器中,所以它们必须在保持导电性的同时具备轻薄㊁大形变㊁高可拉伸性的特点,能够进行数百万次的循环㊂在介电弹性体及超级电容器中,由于电极材料是与橡胶或电解质配合使用,需要通过形变输出或储存电能㊂因而,为了提高能量的输出,电极材料必须足够柔顺,降低对电介质刚度的影响㊂另外,与普通电极不同的是,柔性电极能够在电介质基体上形成精确的图案,使电荷可以在规定的位置工作,从而允许在单个膜上具有多个电极和明确定义的独立有源区域的复杂结构㊂P e l r i n e 等[1]人说过: 理想电极具有高导电性,完全柔顺且可图案化,并且相对于基体厚度可以更薄㊂ 基于柔性电极材料的不同类型,我们将其分为碳电极㊁金属电极㊁复合型电极三类㊂1碳电极1.1炭黑电极导电炭黑是一种有着较低电导率的半导体材料,将其分散到特殊制品中,可使制品起到导电或防静电的作用㊂其特点为粒径小,比表面积大且粗糙,结构度高,表面洁净(化合物少)等㊂采用刷涂或喷涂的方式将炭黑粉末通过物理作用黏附在D E基体上是早期介电弹性体致动器(D E A)用柔性电极的主要材料㊂由于炭黑粒子间没有强的相互作用力,所以导电炭黑的主要优点是其对D E基体的刚度不产生影响㊂但是炭黑电极也有以下两个缺点影响其导电性:一是由于炭黑粒子间相互作用弱,所以在大应变下电极会产生断裂带,切断了电荷传输路径;二是在反复拉伸-回复过程中,炭黑粉末会产生脱落㊂P e l r i n e等[1]人通过喷涂的方式将溶解于有机溶剂中的碳粉喷洒在预应变为32%的D E基体上㊂待溶液挥发后,碳粉附着在D E基体上,制成介电弹性体致动器(D E A)㊂研究表明,在300V电压下D E A的形变量达到20%㊂张治安等[2]人利用油压机,将高比表面积㊁高导电性的工业炭黑固定到集流体上,制成电极片㊂研究结果表明使用纯炭黑作为柔性电极材料的比容量大约为60~70F/g,相对较低㊂1.2碳纳米管电极碳纳米管是一种具有高机械强度㊁良好导电性的一维纳米材料,可应用于高强度复合材料㊁信息存储㊁纳米电子器件等㊂由于碳纳米管有着大长径比㊁高比表面积以及良好的导电性等特点,使得其作为柔性电极材料在D E G和D E A上有着广泛的应用㊂张东智等[3]人将C N T用静电自组装的方法粘附在D E基体上,制备出了28μm后的D E G㊂与手套结合,制成了手套式发电机,如图1所示㊂研究表明,当手指弯曲90ʎC,此时为可输出的最大电压,大约为3.7V,如图2所示㊂接着该团队又制备出鞋垫式发电机,通过足部运动使介电弹性体产生压缩-回复的变化㊂研究表明, D E的相对介电常数为12,可输出的最大电压为1V,最大电容为1.37n F㊂93020武畏志鹏等:柔性电极材料的国内外研究进展*收到初稿日期:2020-08-18收到修改稿日期:2020-09-30通讯作者:邹华,E-m a i l:1252528362@q q.c o m 作者简介:武畏志鹏(1995 ),男,山东济南人,硕士,师承邹华副教授,从事导电纳米复合材料研究㊂图1 手指弯曲度检测示意图F i g 1I l l u s t r a t i o no f f i n g e r -b e n d i n g te st 图2 不同弯曲角度下E A P 薄膜的输出电压-时间曲线F i g 2C u r v e so fo u t p u tv o l t a ge -t i m ef o rE A Pf i l -m u n d e r d i f f e r e n t b e n d i ng a n gl e s 近年来研究人员对C N T 不断的深入研究,使得其也迅速成为超级电容器领域的研究热点㊂D u 等[4]以镍片做衬底,使用C N T 分散液将C N T 均匀分散,制备出了排列整齐的C N T 电极㊂研究表明,其质量比容量为20F /g ,功率密度为30k W /k g㊂Z h a o 等[5]采用喷涂的方法将多壁碳纳米(MW C N T )管固定到钢网上,如图3所示,制备出了质量比容量为155F /g 的碳纳米管电极㊂经过100次弯折循环后,MW C N T 没有脱落,表现出优异的循环稳定性㊂图3 通过静电相互作用保持的P E I /C N T 膜排列示意图F i g 3S c h e m a t i co f t h eP E I /C N Tf i l m a r r a n ge m e n t h e l db y el e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n 1.3 石墨烯电极石墨烯具有导电导热性好㊁比表面积大㊁循环寿命长,机械强度高等特点,并且在水性电解质中有着优异的耐腐蚀性,使得其在柔性电极方面运用广泛㊂C h e n 等[6]人采用真空抽滤的方法制备了超薄透明的石墨烯薄膜(厚度为25~100n m ),测试结果表明,薄膜的电导率在800~1000s /m ㊂将其应用到超级电容器时,25n m 的薄膜比电容为135F /g,功率密度为7.2k W /k g,透光率70%㊂随着厚度的增加,性能降低㊂H o l l o w a y 等[7]人使用射频等离子体增强化学气相沉积工艺在加热的镍基板上直接生长了垂直取向的石墨烯纳米片,如图4所示㊂测试结果表明,其比表面积约为1100m 2/g ,120H z 下比电容为175F /c m 2㊂W a n g等[8]采用氧化还原法得到了单层石墨烯,验证了单层石墨烯作为电极材料的优势㊂研究表明,在电解质水溶液中以28.5W h /k g 的能量密度获得的最大比电容为205F /g ,功率密度为10k W /k g ㊂并且经过1200次循环测试后保留了约90%的比电容,显示出优异的循环稳定性㊂图4 不同生长时间下垂直取向石墨烯纳米片的S E M照片F i g 4S E M i m a g e s o f v e r t i c a l l y a l i g n e d g r a ph e n e n a n o s h e e t s u n d e r d i f f e r e n t g r o w t h t i m e s1.4 碳纤维电极由于碳纤维有着极高的纵横比,使得其有着良好的电子传输路径,导电性优异㊂并且碳纤维还有着高度可修饰的纳米结构㊁良好的循环使用寿命等特点㊂近年来,以碳纤维作为柔性电极也成为了超级电容器领域的研究热点㊂Z HO U 等[9]通过对碳纤维进行酸氧化处理,制备出了多孔核-壳碳纤维㊂研究表明,0.5A /g 电流密度下,比电容为98F /g ㊂在1A /g 的电流密度下进行3000次充放电循环后,电容保持率约为96%㊂表现出出色的电化学性能和机械性能以及良好的循环稳定性㊂L i u 等[10]用生物型棉纤维制备出碳纤维,通过一定程度的煅烧来塑造多孔微管结构,作为电极材料㊂研究表明,其比表面积约为584.49m 2/g ㊂在0.3A /g 的电路密度下,比容量约为221.72F /g ,经过两次6000次循环后,电容的损失率仅有4.6%㊂2 金属电极虽然金属材料作为电极有着优良的导电性,但其也有两个非常明显的缺点:一是金属的杨氏非常高,通常高于介电弹性体几个数量级,会增加基体的刚度㊂40202021年第2期(52)卷R o s s e t 等[11]人通过研究表明,在30.6μm 的硅橡胶上溅射8n m 的金层,使得基体的模量由最初的0.77M P a 增加到了4.2M P a ,增长率达到440%㊂二是金属的弹性极限在2%~3%,若超过该极限金属将会破裂,阻碍电子的传输路径,影响导电性㊂为提高金属的柔韧性,许多研究人员进行了广泛的探索㊂目前常用的方法主要有三种:(1)改变金属电极的形貌来提高柔韧性,如褶皱电极㊁波纹电极等;(2)将金属做到纳米级尺度;(3)使用液态金属㊂L a c o u r 等[12]人将A u 沉积到因加热而膨胀的硅橡胶基体上㊂然后将硅橡胶冷却至室温,使其恢复原状,这时硅橡胶表面产生褶皱金属,如图5(a)所示㊂研究表明,在23%的应变下A u 仍具有导电性,此时已远远超过了A u 的屈服应变㊂接着该团队在10%~20%预拉伸的硅橡胶基体上沉积厚度为25n m 的A u 电极,撤去外力后基体恢复原状产生褶皱金属㊂研究表明,A u 电极最大可拉伸至28%仍保持导电性,如图5(b )所示㊂B e n s l i m a n e 等[13]人将橡胶放在具有正弦波纹轮廓的模具上硫化,制备具有波纹形状的弹性体,并在其上沉积A g ㊂研究表明,A g 电极最大可拉伸至33%仍保持导电性㊂图5 (a )15%预拉伸释放后的金表面波的三维轮廓;(b )机械循环过程中的电阻介于0%和15%之间F i g 5T h r e e -d i m e n s i o n a l pr o f i l e o f aA us u r f a c ew a v ea f t e r r e l e a s e f r o m15%p r e s t r e t c ha n de l e c t r i c a l r e -s i s t a n c e d u r i n g m e c h a n i c a l c y c l i n g be t w e e n0%a n d15%s t r a i n 纳米材料与传统材料不同的是,纳米材料通常具有表面与界面效应㊁小尺寸效应㊁量子尺寸效应㊁宏观量子隧道效应等特性,因而纳米材料具有独特的光学㊁电学㊁磁学㊁热学㊁力学等方面的性质㊂正因为如此,纳米金属材料与宏观金属材料相比具有更优异的综合性能,可弥补宏观材料的一些不足㊂C h e n 等[14]人通过使用具有适当离子强度的电解质溶液处理银纳米线(A gNW ),如图6所示,可以解吸其表面的绝缘活性剂层(聚乙烯吡咯烷酮,P V P )㊂研究表明,制备的A g-NW 膜电导率显著提高,电阻仅为26.4Ω/s q,透光率为92.5%,并且使A gNW 网络更加致密㊂弯曲循环4000次后,电导率几乎无变化,显示出良好的循环稳定性㊂L e e 等[15]人通过对大长径比(长度>100μm )的A gNW s 进行固溶处理,随后通过低温纳米焊接形成渗流网络,开发出具有高度可拉伸性的金属电极㊂研究表明,其方阻仅为9Ω/s q,最大可拉伸至460%㊂C u 的导电性与A g 相差不多,而价格仅为A g 的1%,而且储量巨大㊂所以铜纳米线(C u NW s)因为其极高的性价比而受到广泛的关注㊂Z e n g 等[16]人在低温(60ħ)下,通过水还原途径制备出了直径为90~120n m ㊁图6 (a )不同电解质溶液处理后A g NW 薄膜的薄层电阻的相对变化;(b )电解质溶液处理后的A gNW 网络的S E M 图像F i g 6R e l a t i v e c h a n g e s i n t h e s h e e t r e s i s t a n c e o fA g NWf i l m s a f t e r t r e a t m e n tw i t hd i f f e r e n t e l e c t r o l yt e s o l u t i o n s a n dS E Mi m a g e o fA g NW n e t w o r k s a f t e r e l e c t r o l yt e s o l u t i o n t r e a t m e n t 14020武畏志鹏等:柔性电极材料的国内外研究进展长度为40~50μm的大长径比C u NW s㊂W i l e y等[17]人改进了制备方法,换用聚乙烯吡咯烷酮(P V P)加入到混合液中,以防止C u NW的聚集,并且降低反应温度,在冰水浴中生长C u NW,得到了直径<60n m㊁长度>20μm的具有更大长径比的高透光率的C u NW,然后将其涂覆到聚合物基材上㊂研究表明,C u NW薄膜具有优良的导电性,电阻为30Ω/s q,透光率为85%㊂经过1000次弯折循环后,薄膜电导率无明显变化㊂液态金属一般采用低温熔炼制备工艺,将不同的金属材料(多以镓㊁铟类合金为基础材料)按照一定的配比,通过温度控制使其充分融合而形成,是一种不定型㊁可流动的特殊金属材料㊂因而其在拥有高导电性的同时还有这极高的柔韧性(杨氏模量几乎为0)㊂但是由于其具有流动性,若不加以复合或封装则无法使用㊂3复合电极不管是碳电极还是金属电极,在他们单独使用时总会有许多不尽人意之处,使得它们的性能无法发挥到极致㊂所以目前对于柔性电极的研究多集中于碳-碳㊁碳-金属㊁碳(金属)-聚合物等复合材料上,以弥补各自性能上的不足㊂以下我们将把复合型电极分为本征型电极和填充型电极两类㊂3.1本征型电极我们将本征型复合电极定义为主要由两种或两种以上的具有导电能力的材料构成的电极㊂如碳材料(碳纳米管㊁碳纤维㊁石墨烯)㊁纳米金属材料和导电聚合物(聚吡咯㊁聚苯胺)等本身就有着非常高的柔韧性,将其选择性的进行复合,以期望获得性能上的提升㊂具有优良导电性㊁大比表面积㊁高机械强度以及自支撑特性的石墨烯及其复合材料被认为是超级电容器的理想电极材料㊂冯先强等[18]人将碳纤维(C F)㊁沥青(M P)㊁石墨烯(G)3种材料通过真空抽滤法制备了具有三维网络结构的自支撑G-C F-M P复合薄膜㊂研究表明,沥青在其中增强了碳纤维与石墨烯的粘结强度,使得网络结构更加稳定㊂3种材料协同作用,提高了薄膜的导电性,方阻仅为0.229Ω/s q㊂聚苯胺(P A N I)具有简单易得㊁电容值高㊁化学稳定性强等特点,在超级电容器的电极材料中有着非常广泛应用㊂尚嘉茵等[19]利用原位聚合㊁层-层自组装的方法将MW C N T㊁G Q D㊁P A N I负载至碳布表面,制备出了MWN T/ G Q D/P A N I/碳布柔性电极材料,如图7所示㊂研究表明,MW C N T/G Q D提高了P A N I在碳布上的负载量,且分布更加均匀㊂电极材料的比电容为361.5m F/c m2,经过1000次循环后,电容损失率为15%㊂图7 MWN T/G Q D/P A N I/碳布柔性织物电极制备示意图F i g7S c h e m a t i c d i a g r a m o f p r e p a r a t i o n o fMWN T/G Q D/P A N I/c a r b o n c l o t h f l e x i-b l e f a b r ic e l e c t r od e二氧化锰作是一种电化学活性和比电容高的过渡金属氧化物,但是其导电性较差㊂张燕等[20]人以柔性C N T薄膜为基底,通过水热法将M n O2覆盖在C N T 薄膜上,制备出C N T/M n O2复合电极材料,如图8所示㊂研究表明,M n O2呈现泡沫状,使得薄膜具有较大的比表面积,提高了薄膜电极的比电容,达到了297F/ g㊂经过500次充放电循环后,电容损失率仅为6%,显示出良好的循环稳定性,如图9所示㊂张亚妮等[21]人发明了一种专利㊂将过渡金属(TM)层溅射到碳纤维(C F)表面,采用原位生长法将C N T覆盖在其表面㊂制备出C F/T M/C N T柔性复合电极材料㊂结果表明,电极材料柔韧性高㊁寿命长,电导率高达104S/c m ㊂图8碳纳米管膜/M n O2电极材料的透射电镜图F i g8T E Mi m a g e s o fC N T F/M n O2图9碳纳米管膜和碳纳米管膜/M n O2电极材料的循环稳定性曲线F i g9C y c l i n g s t a b i l i t y o fC N T Fa n dC N T F/M n O2纳米金属材料长时间暴露在空气中时极易被氧化,影响其电学性能㊂由于石墨烯能够对水和氧气进行有效的隔绝,以及自身优异的化学稳定性,当其覆盖在金属表面时,能够保护金属材料不被氧化㊂C h e n 等[22]人通过在金属上生长石墨烯,将石墨烯包裹在金240202021年第2期(52)卷属表面,然后在200ħ的环境中加热4小时㊂研究表明,与未覆盖石墨烯的金属相比,被包裹金属的氧化速率得到了有效的减缓,且对金属的物理㊁化学性质没有影响㊂李云飞等[23]进一步改进工艺,采用化学气相沉积法在C u纳米粒子表面原位生长石墨烯,制备出C u 纳米粒子-石墨烯复合结构㊂研究表明,C u纳米粒子与石墨烯间的相互作用非常强,且抑制了C u在空气中的氧化速度㊂L e e等[24]人通过真空抽滤法制备出了A g NW-S W C N T复合电极,如图10(a),将其黏附到V H B4910弹性体上,制成了D E A㊂研究表明,其应变高达146%,且相较于单独使用低初始电导率的A g-NW电极时,加入少量C N T后,电极电阻下降了3个数量级,如图10(b),击穿强度增加了183%㊂图10(a)掺入C N T后的A g NW的S E M图像;(b)四种不同的A g NW薄膜(S1-4)的薄层电阻(黑点掺入C N T之前,红点掺入C N T之后)F i g10S E Mi m a g eo fA g NW d o p e dw i t hC N Ta n ds h e e t r e s i s t a n c eo f f o u rd i f f e r e n tA g NWf i l m s(S1-4)(b l a c kd o t s b e f o r e d o p i n g C N T,r e dd o t s a f t e r d o p i n g C N T)3.2填充型电极填充型电极一般是将导电性物质分散到聚合物中,在保证导电性的同时,又具有极强的柔韧性,能承受较大的应变㊂碳脂电极是将炭黑分散到硅油(低分子量硅胶)等一些粘性基质中,在D E A电极材料中有着广泛应用㊂碳脂电极模量低,有着优异的伸缩性能,不会阻碍D E基体的形变㊂但是其也有以下几个缺点:一是油脂在重力作用下会产生蠕变,降低电极的使用寿命,特别对与垂直存放的设备;二是油脂类物质随着时间推移会逐渐干涸,柔韧性降低;三是像硅油等油脂类材料一般都是绝缘的有机物,会影响炭黑等导电填料的电导率㊂以炭黑为导电填料制成的导电橡胶是常用的电极材料㊂橡胶本身是绝缘性材料,若想使橡胶复合材料具有一定的导电性,那么炭黑的填充量必须高于逾渗阈值㊂黄英等[25]人分别用N330㊁E C P和C B3100三种炭黑填充硅橡胶制成了导电硅橡胶,探究其渗流现象㊂研究表明,当炭黑粒径越小㊁结构度越高㊁比表面积越大时,炭黑粒子在硅橡胶中的分散性就越好,逾渗阈值越小㊂孙宗学等[26]人将炭黑填充到通过点击化学反应接枝了3-巯基丙酸的甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)中,制备出了导电硅橡胶复合电极材料,然后将其喷涂到V H B4910丙烯酸酯弹性体上㊂测试结果表明电极不仅与基体的粘结性显著提高,而且在较小的电场下就能产生大的形变㊂J i a n g等[27]人把用硅烷偶联剂K H550改性处理过的多壁碳纳米管(MW C N T)填充到硅橡胶中,制备出了导电硅橡胶复合电极材料㊂研究表明,与未经修饰的MW C N T相比,填料在硅橡胶中分散的更加均匀,电导率显著增强,这是因为经表面改性的MW C N T与硅橡胶的相互作用得到增强㊂张玉刚等[28]人将炭黑与碳纳米管并用,采用溶液共混法制备出了炭黑/C N T/硅橡胶复合电极材料㊂研究表明,相较于单独使用两种碳材料时,并用使得复合材料的导电网络更加稳定,这得益于近程网络和远程网络的协同互补作用,如图11所示,并且还可以减少导电填料的用量㊂图11炭黑和碳纳米管的协同效应F i g11S y n e r g i s t i ce f f e c to f c a r b o nb l a c ka n dc a r-b o nn a n o t u b e s以纳米金属为导电填料制成的导电橡胶也是常用的电极材料㊂L i u等[29]人采用喷涂法将A g NW溶液喷涂在四氟板上,200ħ下加热使A g NW间产生融合,然后将P D M S粘性液体覆盖在上面进行固化㊂完成后,A g NW嵌入在P D M S中,成功制备出可拉伸薄膜电极㊂研究表明,薄膜电阻为20Ω/s q,1000次拉伸,弯折循环后,电导率无明显变化㊂R o s s e t等[30]人34020武畏志鹏等:柔性电极材料的国内外研究进展通过在弹性体表面下方的几十纳米处以低能量植入金属纳米团簇,如图12所示,这些金属粒子可以相对于彼此移动,因此形成比普通金属薄膜更柔顺的电极,并且因为它们位于弹性体基体内部,提高了纳米金属粒子在弹性体中的附着力,稳定性大大增强㊂雷海军等[31]人探究了金属填料的性质对硅橡胶复合材料性能的影响㊂结果发现,金属填料相同时,导电性与用量和细度有关,用量越大,细度越小,硅橡胶导电性就越好㊂复合金属系导电填料不仅可以减少金属的用量以降低成本,还可以提高填料整体的导电性㊂邹华等[32]人将镀镍石墨填充到甲基乙烯基硅橡胶中,制备出复合电极材料㊂结果表明,其拉伸性和导电性均较好㊂张立群等[33]人将镀镍石墨和镀镍碳纤维并用填充到硅橡胶中㊂研究表明,与单一材料填充相比,并用后所需的填料总量降低,复合材料硬度降低㊂且随着镀镍碳纤维比例的增加,逾渗阈值降低,导电稳定性提高㊂图12 A u/P D M S纳米复合材料的T E M截面F i g12T E Mc r o s s s e c t i o n o fA u/P D M Sn a n o c o m p o s i t e液态金属在保持着高导电性的同时还有着接近于0的模量,柔韧性极高㊂F a s s l e r等[34]人将液态金属(镓铟锡合金,液滴2~30μm)填充到硅橡胶中,制备出了液态金属/硅橡胶复合材料,如图13所示㊂研究表明,复合材料柔韧性非常好,杨氏模量为0.9~ 1.27M P a,最大形变量可达133%㊂产生形变时,表面压力使得液滴相互接触形成导电网络,电导率达到了1.05ˑ104S/m㊂在无应力时,若想具有导电性,可与其他导电填料并用,在金属液滴间产生导通,形成导电网络㊂Z h u等[35]人将液态金属(共晶镓铟合金)注入到空心聚合物S E B S(三嵌段共聚物)纤维的芯中㊂研究表明,液态金属对纤维的机械性能无影响,电导率最大可达3ˑ104S/c m㊂随着纤维拉伸程度的增加,电导率降低,500%时电导率约为5S/c m,增加到700%时仍具有较好的导电性㊂L i a n g等[36]人将液态金属(镓铟锡合金)注入到P D M S海绵中,制备出液态金属海绵㊂结果表明,P D M S海绵不仅可以储存液态金属,还具有3D互连的多孔结构,形成电子传输通路,电导率最高可达1.62ˑ104S/c m,在经过大量的拉伸-回复循环后,电导损失率小于7%㊂,循环稳定性优异㊂图13 可拉伸的液态金属/P D M S薄片嵌入到P D M S薄层中F i g13S t r e t c h a b l e l i q u i dm e t a l/P D M S s h e e t e m b e d-d e d i nP D M S t h i n l a y e r4制备方法电极材料作为D E和S C中最关键的组成部分,如何将其覆盖到基体材料上,并且能够满足特殊的需求(如特定的形状㊁特定的位置等),是现阶段亟待解决的问题㊂目前常用的制备方法有喷涂/涂覆法㊁化学沉积法(化学气相沉积㊁液相沉积)㊁喷墨印刷法等㊂4.1喷涂/涂覆法喷涂/涂敷方法是近年来基于传统成型技术上衍生而来的新技术,喷涂/涂敷工艺因具有设备简单㊁工艺易控制㊁掺杂方便等特点而被广泛应用㊂S h i e h 等[37]人通过在P D M S基体表面涂覆由石墨烯和多壁碳纳米管组成的混合电极,得到具有高比电容和良好循环稳定性的复合电极㊂2000次循环后,电容保持率达到93%㊂J e o n g等[38]人通过喷涂技术将还原的氧化石墨烯(r G O)/单壁碳纳米管(S WN T s)复合材料涂覆到聚己内酯(P C L)基底上,以制备柔性超级电容器㊂结果表明,未弯曲时比电容为52.5F/g,经过500次弯曲循环后比电容降至37.5F/g㊂接着又进行了不同弯曲角度下分别进行1000次充放电循环,电容仅下降约1%㊂S c h l a a k等[39]人将石墨悬浮液喷涂在硅橡胶上,然后再使硅橡胶交联固化,如此反复交替进行,开发出了一种可制造高达100层的D E A的生产方法㊂4.2化学沉积法化学沉积法是通过氧化还原反应,将电极材料沉积在基体表面的一种化学反应过程㊂化学沉积法有气相沉积和液相沉积两种㊂J a y e s h等[40]采用化学气相沉积法在碳纤维(C F)上合成了螺旋状盘绕的碳纳米管(H C N T),制备出C F/H C N T复合电极㊂结果表明,电极的最大比电容为125.7F/g,经过不同弯曲角440202021年第2期(52)卷度下的充放电循环以及15000次的弯折循环后,比电容几乎没有损失㊂J i a n g 等[41]基于化学气相沉积法将镍纳米粒子沉积到碳纳米管上,制备出镍纳米粒子@碳纳米管(N i @C N T )复合电极㊂使得N i 与C N T 间无粘合剂,提高了电极材料的性能㊂结果表明,其能量密度为1.39mW h /c m 3,功率密度为440mW /c m 3,10000次循环后仍具有良好的电化学稳定性,无电容损耗㊂L o w 等[42]人利用液相沉积法在高度拉伸4.2倍的丙烯酸酯橡胶基体上沉积银薄膜,然后松弛至2.5倍的预拉伸来制备褶皱电极㊂测试得到在1.8k V 的电压下电极面积扩展至128%,并且具有良好的循环稳定性㊂4.3 喷墨印刷法喷墨印刷是通过计算机控制,将细墨流射在基材上㊂它具有工艺简单㊁成本低㊁无接触㊁无污染㊁生产周期短等特点,有着巨大的使用潜力㊂M u s t o n e n 等[43]人利用喷墨印刷的方法将由单壁碳纳米管/导电聚合物(P E D O T -P S S)组成的墨水沉积在基体上,制备出复合透明电极㊂结果表明,在低印刷重复率下,与P E -D O T -P S S 电极相比,复合电极显示出更高的电导率,这是因为碳纳米管在P E D O T -P S S 导电相间建立了连接㊂90%的高透光率下,方阻为10k Ω/s q ㊂金属材料的导电性远远高于碳材料,因此金属墨水是现在最为最常用的㊂D o n g 等[44]人利用喷墨印刷法将高银含量的MO D (金属-有机分解)墨水沉积在P I 基体上㊂结果表明,固化后膜电极的电阻率为8.6μΩ㊃c m ,大弯曲下电极也无破裂现象,表现出良好的柔韧性㊂除了上述几种常用的方法外,还有电化学沉积法㊁激光刻蚀法㊁静电纺丝法㊁溅射法㊁湿法纺丝法㊁冲压法㊁3D 打印法等多种方法㊂图14 (a )(b )介电弹性体卫星夹持器示意图;(c )通过将三个D E M E S 旋转接头连接在一起形成的襟翼系统;(d)仿生鱼斜视图;(e)介电弹性体海浪发电机示意图F i g 14(a )S c h e m a t i cd i a g r a m o fd i e l e c t r i ce l a s t o m e r s a t e l l i t eh o l d e r ;(b )f l a p p i n g w i n g s ys t e mf o r m e df r o m j o i n i n g t h r e eD E M E S r o t a r y j o i n t s t o g e t h e ;(c )b i o n i c f i s ho b l i q u e v i e w ;(d )s c h e m a t i cd i a gr a mo f d i e -l e c t r i c e l a s t o m e r s e aw a v e g e n e r a t o r54020武畏志鹏等:柔性电极材料的国内外研究进展。
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聚苯胺/碳纤维柔性超级电容器电极材料的研究作为导电聚合物中的一元,聚苯胺因拥有高比容量、快速充放电速率及简单制备工艺条件等优点而获得了研究者的广泛关注;同时作为赝电容材料的一元,聚苯胺的微观形貌结构与其性能的发挥有密切的联系。
研究工作中主要由以下两方面来充分利用聚苯胺的高比容量和缓解聚苯胺的低结构稳定性,一方面通过制备形貌均匀的聚苯胺纳米纤维或纳米线可以增加材料接触电解液的活性比表面积,同时有效地缓解在充放电过程中离子嵌入/脱出的阻力,从而提高电极材料的机械稳定性;另一方面可以将聚苯胺与碳材料或过渡金属氧化物材料复合,通过基元之间良好的协同作用,获得高比容量和高结构稳定性的复合材料。
基于以上思路,本论文设计了以下三部分实验。
(1)通过二氧化锰模板法制备聚苯胺/碳布(CC-PANI)复合材料,以碳布作为柔性集流体并探究了最佳PANI制备时长。
其中CC-PANI-8h电极材料获得了最稳定的倍率性能和最高的电化学活性,从0.5A/g到10A/g,CC-PANI-8h的比容量维持率为64.5%,即使在10A/g的电流密度下,材料的比容量仍可以高达429.42 F/g。
(2)以TEOS掺杂的碳纳米纤维作为碳基体制备聚苯胺/碳纳米纤维(PANI/SiCNF)二元复合材料,并探究了最佳TEOS掺杂浓度。
随着掺杂浓度的不同,PANI的微观形貌也存在一定的区别,其中
PANI/SiCNF-30样品获得最佳的倍率性能和较高的比容量,在1A/g电流密度下其比容量为433.54F/g,且20A/g的高电流密度仍高达286.97F/g,后者比PANI/CNF 增大了约184F/g及比纯PANI增大了约50F/g。
(3)通过三部分实验我们成功制备了聚苯胺/二氧化锰/碳纳米纤维(PANI/MnO2/NPCNF)三元复合材料,并探究了
最佳MnO2制备时长。
研究结果表明PANI/MnO2(90min)/NPCNF三元复合材料拥有最高的比容量,在0.5A/g的电流密度下比容量高达587.3F/g(约为二元材料PANI/NPCNF的1.3倍),以及良好的倍率性能和长循环稳定性(当电流密度由0.5A/g增大至20A/g 时其容量维持率为63.65%,且在5A/g的电流密度下循环1000次容量仍可达328F/g,维持率约80%)。