超級電容器電極材料的研究進展

　　摘要超級電容器既具有超大容量，又具有很高的功率密度，因此它在后備電源、替代電源、大功率輸出等方面都有極為廣泛的應用前景。超級電容器的性能主要取決于電極材料，近年來各國學者對于超級電容器的電極材料進行了大量的研究。

　　擺玉龍

　　(新疆化工設計研究院，烏魯木齊830006)

　　1前言

　　超級電容器的種類按其工作原理可以分為雙電層電容器、法拉第準電容器(也稱為贗電容電容器)以及二者兼有的混合電容器。雙電層電容器基于雙電層理論，利用電極和電解質之間形成的界面雙電層電容來儲存能量。法拉第準電容器則基于法拉第過程，即在法拉第電荷轉移的電化學變化過程中產生，不僅發(fā)生在電極表面，而且可以深入電極內部。根據(jù)這兩種原理，目前作為超級電容器的電極材料的主要分為三類[1]碳材料、金屬氧化物及水合物材料、導電聚合物材料。

　　2碳材料類電極材料

　　在所有的電化學超級電容器電極材料中，研究最早和技術最成熟的是碳材料。其研究是從1957年Beck發(fā)表的相關專利開始的。碳電極的研究主要集中在制備具有大的比表面積和較小內阻的多孔電極材料上，可用做超級電容器電極的碳材料主要有活性炭、納米碳纖維、玻璃碳、碳氣凝膠、納米碳管等。

　　活性炭(AC)是超級電容器最早采用的碳電極材料[2]。它是碳為主，與氫、氧、氮等相結合，具有良好的吸附作用。其特點是它的比表面積特別大，比容量比鉑黑和鈀黑高五倍以上[3]。J.Gamby[4]等對幾種不同比表面積的活性炭超級電容器進行測試，其中比表面積最大為2315m2˙g的樣品得到的比容量最高，達到125F/g，同時發(fā)現(xiàn)比表面積和孔結構對活性炭電極的比容量和內阻有很大影響。

　　活性炭纖維(ACF)是性能優(yōu)于活性炭的高效活性吸附材料和環(huán)保工程材料。ACF的制備一般是將有機前驅體纖維在低溫(200℃~400)℃下進行穩(wěn)定化處理，隨后進行炭化、活化(700℃~1000)℃。日本松下電器公司早期使用活性炭粉為原料制備雙電層電容器的電極，后來發(fā)展的型號則是用導電性優(yōu)良、平均細孔孔徑2~5nm、細孔容積0.7~1.5m3/g、比表面積達1500~3000m2/g的酚醛活性炭纖維[5]，活性炭纖維的優(yōu)點是質量比容量高，導電性好，但表觀密度低。H.Nakagawa采用熱壓的方法研制了高密度活性炭纖維(HD-ACF)[6]，其密度為0.2~0.8g/m3，且不用任何粘接劑。這種材料的電子導電性遠高于活性炭粉末電極，且電容值隨活性炭纖維密度的提高而增大，是一種很有前途的電極材料。用這種HD-ACF制作超級電容器電極[7]，結果表明，對于尺寸相同的單元電容器，采用HD-ACF為電極的電容器的電容明顯提高。

　　炭氣凝膠是一種新型輕質納米級多孔性非晶炭素材料，其孔隙率高達80%~98%，典型孔隙尺寸<50nm，網絡膠體顆粒尺寸3~20nm，比表面積高達60~1000m2/g，密度為0.05~0.80g/m3，是一種具有許多優(yōu)異性能(如導電性、光導性和機械性能等)和廣闊的應用前景的新型材料[8]。孟慶函，劉玲[9]等人采用低分子線性酚醛樹脂-糠醛為原料通過溶液一溶膠一凝膠途徑成功合成了炭氣凝膠，結果表明，炭氣凝膠電極在0.5mA充放電時電極的比電容為121F/g，充放電效率為95%，具有性能穩(wěn)定、充放電效率高等優(yōu)良性能。

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