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超级电容器材料——复合材料最被看好

超级电容器

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超级电容器材料——复合材料最被看好

  超级电容器是一种储电装置,可以直接当做电池来用。超级电容器材料有很多种。各种材料的超级电容器各有什么特点呢?哪个比较受欢迎呢?接下来,小编为大家详细解析。

  超级电容器材料

  一、超级电容器

  超级电容器(super capacitors或ultra capacitors)又称电化学电容器(electrochemical capacitors),是一种介于二次电池与常规电容器之间的新型储能器件,兼有二次电池能量密度高和常规电容器功率密度大的优点;此外,超级电容器还具有对环境无污染、效率高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点,在电动汽车、新能源发电、信息技术、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

  二、谁将成为未来超级电容器“杀手级”的电极材料?

  超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成,其中电极材料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。研究和开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧化物)、导电聚合物等,而碳材料和金属氧化物电极材料的商品化相对较成熟,是当前研究的热点。

  1、碳材料作为超级电容器电极材料的最新研究进展

  碳材料是目前研究和应用最为广泛的超级电容器电极材料,主要包括活性炭、模板炭、碳纳米管、活性炭纤维、炭气凝胶和石墨烯等。碳材料具有导电率高、比表面积大、电解液浸润性好、电位窗口宽等优点,但其比电容偏低。碳材料主要是利用电极/溶液界面形成的双电层储存能量,称双电层电容。增大电极活性物质的比表面积,可以增加界面双电层面积,从而提高双电层电容。

  碳纳米管

  碳纳米管是20世纪90年代初发现的一种纳导电性和化学稳定性、较大的比表面积、适合电解质离子迁移的孔隙,以及交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构,因而曾被认为是高功率超级电容器理想的电极材料。

  但是,自由生长的碳纳米管形态各异、取向杂乱,甚至夹杂伴生有非晶态碳,难以纯化,这就提高了其实际应用的难度。近些年来,高度有序碳纳米管阵列的研究再次引起关注,这种在集流体上直接生长的碳纳米管阵列不仅减小了活性物质与集流体间的接触电阻,而且还简化了电极的制备工序。

  超级电容器材料

  活性炭

  由于活性炭具有稳定的使用寿命、低廉的价格以及大规模的工业化生产基础,已经在商品化超级电容器生产中被广泛采用。20世纪60年代,Becker申请了第1个关于活性炭材料电化学电容器的专利,他在金属基底上涂覆具有高比表面积的活性炭,然后浸渍在H2SO4溶液中,借助在活性炭孔道界面形成的双电层结构来存贮电荷。

  目前商品化超级电容器电极材料的首选仍然是活性炭,不过随着其它新型碳材料(如碳纳米管、金牛3注册石墨烯等)的不断发展,将来有可能替代活性炭材料。

  石墨烯

  从目前来看,石墨烯具有更加优异的特性,例如具有高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度(杨氏模量约为1.0TPa)、高理论比表面积(2600m2/g)等。因此石墨烯在单电子器件、超灵敏传感器、电极材料、药物载体等领域具有广阔的应用前景。利用石墨烯材料的高比表面积和高导电率等独特优点,可望获得价格低廉和性能优越的下一代高性能超级电容器电极材料。

  2、金属氧化物作为超级电容器电极材料的研究进展

  金属氧化物主要是通过电极活性物质在电极表面及近表面发生快速氧化还原反应来储存能量。其工作原理与化学电源相同,但充放电行为与常规电容器类似,故称法拉第赝电容。法拉第赝电容具有相对较高的容量,是双电层电容的10~100倍。加快电极活性物质的电化学反应速率和增大电极活性物质的利用率,是提高金属氧化物超级电容器比电容的有效途径。

  氧化钌材料

  氧化钌材料具有比电容高、导电性好,以及在电解液中非常稳定等优点,是目前性能最好的超级电容器电极材料。

  已有研究表明,二氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铁和氧化钒等具有与氧化钌类似的电化学性能,其中二氧化锰为目前研究较多的电极材料之一。

  二氧化锰材料

  二氧化锰材料具有价格低廉、对环境友好以及电化学工作窗口宽(在水溶液体系中达到1000mV以上,与氧化钌电极材料相当)等显著优点。更重要的是,二氧化锰基超级电容器可以采用中性电解质溶液(如Na2SO4水溶液、KCl水溶液等),不像其它金属氧化物或碳基超级电容器必须采用强酸或强碱的电解质,这就使二恩佐2平台氧化锰基超级电容器的组装及使用更加安全和方便。此外,将纳米技术应用于超级电容器电极材料领域,利用纳米二氧化锰电极材料高的比表面积、短的离子扩散距离和电子输运距离,可以大大提高其电化学活性。

  3、复合材料作为超级电容器电极材料的研究进展

  将复合材料用于超级电容器是近年来的研究热点,通过利用复合材料各组分之间的协同效应来提高超级电容器的综合性能。复合材料主要有碳/金属氧化物复合材料、碳/导电聚合物复合材料以及金属氧化物/导电聚合物复合材料等。针对碳材料(如石墨烯材料)比电容低的缺点,对其表面用具有大的法拉第赝电容的金属氧化物或者导电聚合物进行修饰,可使其比电容大幅度提高;而金属氧化物(如二氧化锰材料)的导电性通过复合后,其性能同样得到明显提高,同时还相应改善了功率特性。

  石墨烯复合材料

  Wang等人采用水热晶化法在石墨烯上制备出Ni(OH)2纳米片,在1mol/L的KOH电解液中,当恒流充放电电流密度为2.8A/g时,基于整个复合材料质量的比电容可达935F/g,而基于Ni(OH)2质量的比电容则高达1335F/g(电位窗口为-0.05~0.45V,参比电极为Ag/AgCl)。他们还研究了不同制备条件和石墨烯前体含量氧的差异对复合材料比电容的影响,当扫描速度为40mV/s时,采用在石墨烯表面原位生长Ni(OH)2、石墨烯与Ni(OH)2机械混合以及在氧化石墨烯表面上生长Ni(OH)2等方法,制备出的复合材料的比电容分别为877F/g?339F/g和297F/g。上述结果表明,高导电性的石墨烯有助于宏观团聚状Ni(OH)2与集流体之间实现快速而有效的电荷输运,同时伴随着能量的快速存储和释放。

  二氧化锰复合材料

  由于二氧化锰属于半导体材料,与贵金属氧化物相比,导电性较差,严重影响了二氧化锰材料的电化学性能。因此,研究人员多采用掺杂或者复合的手段来提高二氧化锰材料的导电性。碳纳米管、介孔碳以及最近出现的石墨烯等碳材料与二氧化锰复合的研究工作已有相关的文献报道;此外,导电聚合物与二氧化锰的复合也引起了极大关注。这种有机-无机复合材料能充分发挥两类材料的各自优势,极大地改善了电极的综合性能。

  以上是超级电容器材料的简单解析。超级电容材料有很多,但目前都不是很理想,最被看好的是复合材料。如果需要选购超级电容器材料,小编建议到工业网平台,工业网平台能为您提供最满意的产品。

  

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