超级电容器用氧化钌及其复合材料的研究进展
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超级电容器用氧化钌及其复合材 料的研究进展
作者：徐 艳，王本根，王清华，刘宏宇 （国防科技大学航天与材料工程学院）
主讲人：xxx
2014年5月19日
目录
1 2 3 4 5
引言
氧化钌材料的电容产生机理
氧化钌材料的分类 氧化钌材料的制备 氧化钌材料的实用化研究
第一节：引言
超级电容器分类
双电层电容
按储能机 理分类
韩国人Bong-Ok Park等，用阴极电沉积法 由RuCl3溶液为先驱体，用铂片作阳极，在阴极 Ti表面上沉积了水合二氧化钌，控制膜厚在 0.001 4 g/cm2时，最大比容达到788 F / g。
氧化钌材料的分类 循环伏安沉积法
台湾的Chi-ChangHu等，将氯化物 先驱体分散在水溶液中，陈化一段时间， 经预热，调节溶液的pH值，将清洁基体 浸入其中，通入循环电流，基体表面生成 无定形的水合二氧化钌。
首先制备有机金属钌盐先驱体，然后将有 机钌盐分散于水或醇介质中，得到湿溶胶，在 湿凝胶形成后，可采用涂覆、混合、干燥、烧 结等各种操作，制作无定形氧化钌的薄膜、粉 体、凝胶体等各种形态。 台湾的 Hu 等人，最近用该方法，在不锈 钢网状基体上，用金与水合二氧化钌复合材料 制成的电极材料，比容量达到 1580 F/g，接 近理论值。
第二节：氧化钌材料的电容产生机理
氧化钌材料超级电容器的作用机理如下：
以 RuO2作电极,H2SO4为溶液的超级电容器的电容， 产生机理主要是法拉第准电容。电极上发生的法拉第 反应,被认为是通过在 RuO2的微孔中发生可逆的电化 学离子注入。 方程式为：RuO2+xH++xe= RuO2-x(OH)x 法拉第准电容不仅发生在电极表面，而且可深入 电极内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和 能量密度。
氧化钌材料的分类 溅射法
台湾的J.H.Huang 等人，分别用直流溅射和 射频溅射法，在硅基体表面沉积氧化钌，找出了 膜性质的各种影响因素。指出膜电阻受结晶状态 的影响最为显著。此外，气流中的氧含量、退火 温度及时间对膜性质的影响也很大。
氧化钌材料的分类 脉冲激光沉积
日本人Masahiko Hiratani等，用脉冲激光沉 积法，以 248 nm 波长的受激准分子激光器，烧结 氧化钌球作靶，将氧化钌沉积在Si 和SiO2表面上， 研究了沉积温度和氧气分压对氧化钌膜晶体结构和 热力学稳定性的影响。
采用高比表面积活性碳的电容 器的储能机理是基于碳电极/电 法拉第准电容 解液界面上电荷分离所产生的 双电层电容
混合电容器
第一节：引言
重要性
美国能源部对制备大容量电容器提出 了近期目标：1998～2003 年，比能量 为 5.0Wh/kg，比功率为500W/kg； 远期目标：比能量为 15.0 Wh/kg， 比功率为 1 500W/kg。而金属钌的氧化 物是实现这个目标的一种重要候选电极 材料。
氧化钌材料的分类 阴极电沉积法
克罗地亚的MarijanVukovic等人，用电化学石 英晶体微平衡法，研究了电沉积氧化钌的形成过程 以及沉积层的循环充放电稳定性。他们将 (NH4)2RuCl6与HCl的混合溶液利用静电力使其沉降 并分解，在不同电流密度下，制得不同厚度的薄膜。
氧化钌材料的分类 阳极电沉积法
第五节：氧化钌材料的实用化研究
氧化钌材料虽然性能优异，但其资源较为紧缺，且价格昂贵，因 此，各国都在寻求减低其成本的途径。目前主要通过以下方法来进行 实用化：
1、寻求廉价替代品
位于元素周期表的过渡金属区域元素的氧化物都可具有与氧化钌相似 的赝电容性能。
2、提高材料利用率
将钌氧化物涂敷在廉价的基质材料上。
化学法制备
胶体法、sol-gel 法、有机金属化合物化 学 气 相 沉 积 法
第三节：制备方法 热分解制备
意大利G.A.Rizzi 等人，将先驱体Ru3(CO)12沉 积在 TiO2表面上，在超真空度条件下，热分解法制 取金属钌，然后再在空气中加热氧化，使其成为氧 化钌；或直接在空气中加热先驱体沉淀，生成一定 晶体取向的RuO2薄膜，经检测薄膜中氧化钌的形态 是晶态。
第三节：氧化钌材料的分类
1 2 3
晶态氧化钌电极材料 无定形水合二氧化钌电极材料 二氧化钌/碳复合电极材料
4 5
二氧化钌/其它氧化物复合电极材料 二氧化钌/导电聚合物复合电极材料
第三节：制备方法
物理方法制 备 热分解制备、溅射法、 脉冲激光沉积
电化学制备
阴极电沉积法、阳极电沉积法、循环伏安沉积法
3、开发混合电容器件
采用电解电容器用氧化钽做阳极，采用电化学电容器用氧化钌做阴极， 既节约了成本，又充分利用了两种电容器的性能优点。
·
谢谢聆听
百度文库
氧化钌材料的分类
胶体法
一般来说是将酸性先驱体钌化物分散在水或醇溶液中， 通过碱性试剂调节溶液 pH 值至中性，静止陈化，离心分 离，得到氧化物沉淀，该方法得到的粉体颗粒较大，但清 华大学的王晓峰等报道，用 NH4HCO3作碱性调节试剂， 可以减小粉体的粒度至超细粉级。
氧化钌材料的分类 sol-gel 法
作者：徐 艳，王本根，王清华，刘宏宇 （国防科技大学航天与材料工程学院）
主讲人：xxx
2014年5月19日
目录
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引言
氧化钌材料的电容产生机理
氧化钌材料的分类 氧化钌材料的制备 氧化钌材料的实用化研究
第一节：引言
超级电容器分类
双电层电容
按储能机 理分类
韩国人Bong-Ok Park等，用阴极电沉积法 由RuCl3溶液为先驱体，用铂片作阳极，在阴极 Ti表面上沉积了水合二氧化钌，控制膜厚在 0.001 4 g/cm2时，最大比容达到788 F / g。
氧化钌材料的分类 循环伏安沉积法
台湾的Chi-ChangHu等，将氯化物 先驱体分散在水溶液中，陈化一段时间， 经预热，调节溶液的pH值，将清洁基体 浸入其中，通入循环电流，基体表面生成 无定形的水合二氧化钌。
首先制备有机金属钌盐先驱体，然后将有 机钌盐分散于水或醇介质中，得到湿溶胶，在 湿凝胶形成后，可采用涂覆、混合、干燥、烧 结等各种操作，制作无定形氧化钌的薄膜、粉 体、凝胶体等各种形态。 台湾的 Hu 等人，最近用该方法，在不锈 钢网状基体上，用金与水合二氧化钌复合材料 制成的电极材料，比容量达到 1580 F/g，接 近理论值。
第二节：氧化钌材料的电容产生机理
氧化钌材料超级电容器的作用机理如下：
以 RuO2作电极,H2SO4为溶液的超级电容器的电容， 产生机理主要是法拉第准电容。电极上发生的法拉第 反应,被认为是通过在 RuO2的微孔中发生可逆的电化 学离子注入。 方程式为：RuO2+xH++xe= RuO2-x(OH)x 法拉第准电容不仅发生在电极表面，而且可深入 电极内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和 能量密度。
氧化钌材料的分类 溅射法
台湾的J.H.Huang 等人，分别用直流溅射和 射频溅射法，在硅基体表面沉积氧化钌，找出了 膜性质的各种影响因素。指出膜电阻受结晶状态 的影响最为显著。此外，气流中的氧含量、退火 温度及时间对膜性质的影响也很大。
氧化钌材料的分类 脉冲激光沉积
日本人Masahiko Hiratani等，用脉冲激光沉 积法，以 248 nm 波长的受激准分子激光器，烧结 氧化钌球作靶，将氧化钌沉积在Si 和SiO2表面上， 研究了沉积温度和氧气分压对氧化钌膜晶体结构和 热力学稳定性的影响。
采用高比表面积活性碳的电容 器的储能机理是基于碳电极/电 法拉第准电容 解液界面上电荷分离所产生的 双电层电容
混合电容器
第一节：引言
重要性
美国能源部对制备大容量电容器提出 了近期目标：1998～2003 年，比能量 为 5.0Wh/kg，比功率为500W/kg； 远期目标：比能量为 15.0 Wh/kg， 比功率为 1 500W/kg。而金属钌的氧化 物是实现这个目标的一种重要候选电极 材料。
氧化钌材料的分类 阴极电沉积法
克罗地亚的MarijanVukovic等人，用电化学石 英晶体微平衡法，研究了电沉积氧化钌的形成过程 以及沉积层的循环充放电稳定性。他们将 (NH4)2RuCl6与HCl的混合溶液利用静电力使其沉降 并分解，在不同电流密度下，制得不同厚度的薄膜。
氧化钌材料的分类 阳极电沉积法
第五节：氧化钌材料的实用化研究
氧化钌材料虽然性能优异，但其资源较为紧缺，且价格昂贵，因 此，各国都在寻求减低其成本的途径。目前主要通过以下方法来进行 实用化：
1、寻求廉价替代品
位于元素周期表的过渡金属区域元素的氧化物都可具有与氧化钌相似 的赝电容性能。
2、提高材料利用率
将钌氧化物涂敷在廉价的基质材料上。
化学法制备
胶体法、sol-gel 法、有机金属化合物化 学 气 相 沉 积 法
第三节：制备方法 热分解制备
意大利G.A.Rizzi 等人，将先驱体Ru3(CO)12沉 积在 TiO2表面上，在超真空度条件下，热分解法制 取金属钌，然后再在空气中加热氧化，使其成为氧 化钌；或直接在空气中加热先驱体沉淀，生成一定 晶体取向的RuO2薄膜，经检测薄膜中氧化钌的形态 是晶态。
第三节：氧化钌材料的分类
1 2 3
晶态氧化钌电极材料 无定形水合二氧化钌电极材料 二氧化钌/碳复合电极材料
4 5
二氧化钌/其它氧化物复合电极材料 二氧化钌/导电聚合物复合电极材料
第三节：制备方法
物理方法制 备 热分解制备、溅射法、 脉冲激光沉积
电化学制备
阴极电沉积法、阳极电沉积法、循环伏安沉积法
3、开发混合电容器件
采用电解电容器用氧化钽做阳极，采用电化学电容器用氧化钌做阴极， 既节约了成本，又充分利用了两种电容器的性能优点。
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氧化钌材料的分类
胶体法
一般来说是将酸性先驱体钌化物分散在水或醇溶液中， 通过碱性试剂调节溶液 pH 值至中性，静止陈化，离心分 离，得到氧化物沉淀，该方法得到的粉体颗粒较大，但清 华大学的王晓峰等报道，用 NH4HCO3作碱性调节试剂， 可以减小粉体的粒度至超细粉级。
氧化钌材料的分类 sol-gel 法