基于超级电容器的多孔电极材料研究进展

目前,对能源的需求急剧增加,超级电容器作为绿色储能器件备受关注。超级电容器按储能机理可分为双电层电容器及法拉第赝电容器两种。双电层电容器的电极材料主要由炭基材料组成,法拉第赝电容器的电极材料主要由导电聚合物及金属氧化物构成;炭基材料与导电聚合物或金属氧化物等复合产生的协同作用可获得更优异的电化学性能。多孔电极材料由于其大的比表面积、独特的多孔结构、多样化的组成和优异的电子导电性而引起了广泛的关注。总结了具有微观多孔结构的超级电容器材料的制备方法以及结构-性能的关系,对比指出多孔超级电容器电极材料因其更高的比表面积和孔隙率而更有利于获得高性能超级电容器。     

石墨烯基柔性超级电容器复合电极材料的研究进展

近年来,便携式和可穿戴电子设备呈现出跨越式发展,为了使可穿戴电子器件更加灵活、轻巧、智能并完全实现产品化,就需进一步探求与之匹配的具有薄、轻、柔特点的储能装置。超级电容器由于具有功率密度高、循环寿命长、机械强度高、安全性好和易于组装等优点,受到研究者的广泛关注。然而,传统的超级电容器一旦受到外力发生变形,储能特性会极大降低甚至丧失。电极材料是电容器的核心部分,因此研制出高柔韧性和储能特性出众的电极材料是有必要的。石墨烯因具有大比表面积,优异的力学、电学性能而成为用于柔性超级电容器的有吸引力的电极材料。赝电容材料可提供高比电容,但其导电性差、稳定性低,因此研究者将石墨烯与赝电容材料相融合作为电极材料,充分发挥各自优势,不仅克服了石墨烯片层间易团聚的缺点,还可提高柔性超级电容器的整体能量密度。由于二维石墨烯片层易堆叠,电子传导能力受到限制,目前更多的研究工作致力于三维多孔网状结构的石墨烯材料。本文突出介绍了石墨烯的两个重要角色:(1)与电化学活性物质复合作为活性材料;(2)作为沉积活性物质的导电柔性基体。因此,功能多样化的石墨烯在制备柔性电极中有很大的潜力。通过化学沉积、浸涂、水热等工艺将具有高电导率的石墨烯直接作为柔性基底,或与赝电容材料键合附着在柔性基体上,制备基于石墨烯的柔性电极材料。本文介绍了超级电容器的储能原理和石墨烯在柔性超级电容器领域的应用状况,着重总结了石墨烯/过渡金属氧化物、石墨烯/导电聚合物复合电极材料在柔性超级电容器方面的研究进展;解析了柔性超级电容器电极材料仍然面临的挑战,并对其未来的发展进行了展望。     

具有高容量和优异倍率性能的柔性超级电容器

正随着便携、可穿戴电子设备的发展,柔性的超级电容器得到越来越广泛的关注和研究,以适应不同应用领域的储能需求。在柔性超级电容器中,具有高容量、高充放电倍率性能的柔性电极材料的设计和制备至关重要。石墨烯和导电聚苯胺分别具有双电层电容和赝电容的储能特性,是两类最具代表性的超级电容器电极材料。通过在纳米     

可拉伸超级电容器碳基复合电极材料的研究进展

随着便携式和可穿戴电子产品的发展,人们对柔性储能设备的需求越来越迫切。常用的储能设备有锂离子电池、超级电容器等。与锂离子电池相比,超级电容器具有更快的充放电速度、更高的循环稳定性能和更大的比电容等优点。但传统的超级电容器在受到拉伸、压缩等外力作用时,存储功能难免下降甚至丧失。因此,可拉伸超级电容器引起了研究者们的关注。电极是可拉伸超级电容器的重要组成部分,人们通过制备性能优异的电极材料或设计能够抗压缩、拉伸、扭曲等高强度机械力的电极结构来提高电极的电化学性能和力学性能。碳纳米管、石墨烯、碳纤维和碳气凝胶等碳材料属于双电层电容器电极材料,它们虽然比表面积大、循环稳定性强,但仍存在低比电容、低能量密度等缺点。其中,石墨烯更是面临因堆叠团聚而导致的储能性能降低的问题。于是,人们在将碳材料与其他电极材料结合制备碳基可拉伸复合电极材料方面做了许多尝试。高比电容的赝电容电极材料、大比表面积的过渡金属硫化物或高导电性的金属纳米线,都已被发现能够与某些碳材料产生协同互补,形成的碳基复合电极在比电容、循环稳定性和力学性能方面相比单种碳电极材料有明显提高。本文在对比介绍用作可拉伸超级电容器的各种碳材料的优势与不足的基础上,综述了近年来广泛应用于可拉伸超级电容器的碳基复合电极材料的研究进展。     

用于超级电容器的高性能石墨烯/CoMoO4复合电极

高性能超级电容器电极材料的开发对于缓解当前的能源危机势在必行,设计和优化混合过渡金属氧化物并研究电化学性能和循环寿命对于超级电容器的实际应用至关重要。在已开发的混合过渡金属氧化物中,由于电活性材料的导电率差并且与电解质的接触受限制,大大限制了所制备电极的电化学性能。我们在本文中提出了一种合成石墨烯/CoMoO_4纳米片的有利设计,使活性材料均匀生长在三维石墨烯泡沫的网状骨架上,充分提高了活性材料的利用率,其独特的结构也增加了电活性材料与电解质界面之间的接触,使赝电容反应充分发生。由于石墨烯的高电子传输速率和CoMoO_4纳米片的高活性,三维复合电极具有出色的电化学性能,具有相对较高的面积比电容(在1 mA cm~(-2)下为2 737 mF cm~(-2))和出色的循环稳定性(在10 mA cm~(-2)下进行4000次循环后,保留原始比电容的81.76%)。这些出色的结果表明,石墨烯/CoMoO_4纳米片复合材料具有巨大的潜力,可作为高性能超级电容器的电极材料。     

原位自生法制备高性能氧化物/纳米多孔金属复合电极

正超级电容器具有功率大、充放电速度快和循环稳定性高等优点,但能量密度低一直是限制其更广泛应用的主要障碍。提高超级电容器能量密度的关键是开发高性能电极材料。以廉价过渡金属氧化物为代表的赝电容材料以其高的理论比电容吸     

金属氮化物纳米储能材料及其柔性超级电容器

超级电容器具有功率密度高、循环寿命长和安全性高等优点,在储能领域具有巨大的应用前景。如何设计和制备具有优异电容性能的电极材料和电极结构是制备高性能超级电容器的关键。过渡金属氮化物(Mx N,M=Ti,V,Mo,Nb,W)是一类具有开发潜力的优异电化学储能材料。相比碳材料,过渡金属氮化物具有更大的比电容,相比过渡金属氧化物电极材料,过渡金属氮化物表现出更为优异的倍率性能和快速充放电性能。介绍了几种典型的过渡金属氮化物储能材料及其电容特性,利用金属氮化物纳米线高长径比的特征,通过简单真空抽滤的方法,制备了具有良好机械柔性的三维交织的纳米线基薄膜纸电极;结合凝胶电解液,构建了高性能的柔性全固态超级电容器,最后对过渡金属氮化物在超级电容器领域的发展进行了展望。     

电化学电容器电极材料的研究进展

介绍了电化学电容器的工作原理,着重阐述了纳米多孔碳材料的电荷存储机制,指出碳材料的比容量与其比表面积并非线性相关,碳材料比表面积的实际利用率取决于碳孔径大小和电解质溶液离子粒径的关联度。综述了电化学电容器各类电极材料的研究进展,如多孔碳、碳纳米管、石墨烯、过渡金属氧化物以及导电聚合物,并展望了电化学电容器的应用前景。     

电化学超级电容器电极材料的研究进展

电化学超级电容器以其独特的大容量、大电流快速充放电和高的循环使用寿命等特点,受到世人的青睐,致使许多新型的电化学超级电容器电极材料相继被发现和应用.为进一步促进电化学超级电容器的发展,在综述了近年来出现的各种电化学超级电容器电极材料的基础上,提出按材料种类将其分为四大系列:碳材料系列、过渡金属氧化物系列、有机导电聚合物系列和其他系列.并就其各自的特点和性能进行了分析比较,得出了碳材料系列主要向高比表面积和可控微孔孔径方向发展和过渡金属氧化物系列主要向提高材料本身的利用率方向发展以及导电聚合物系列主要向无机、有机杂化方向发展的结论.     

超级电容器中的二维材料

以石墨烯为代表的具有层状结构的二维材料因具有大比表面积等特性成为超级电容器电极材料的热门候选.文章着眼于针对诸如石墨烯、过渡金属二硫族化合物、过渡金属碳/氮化物、层状过渡金属氧化物/氢氧化物等二维材料在超级电容器领域应用的研究,尝试总结了其制备方法、产物形貌特征以及作为电极的性能等,并对这一领域的未来发展和面临的挑战提出了看法与预测.     

超级电容器中的二维材料

以石墨烯为代表的具有层状结构的二维材料因具有大比表面积等特性成为超级电容器电极材料的热门候选。文章着眼于针对诸如石墨烯、过渡金属二硫族化合物、过渡金属碳/氮化物、层状过渡金属氧化物/氢氧化物等二维材料在超级电容器领域应用的研究,尝试总结了其制备方法、产物形貌特征以及作为电极的性能等,并对这一领域的未来发展和面临的挑战提出了看法与预测。     

聚丙烯腈基碳纳米纤维在超级电容器电极材料中的应用研究进展

超级电容器是一种介于电池和传统物理电容器之间的新型环保储能器件,近年来得到了研究者的广泛关注。电极材料是超级电容器的核心部分,因此具有更高的研究价值。聚丙烯腈基碳纳米纤维因具有良好的静电纺丝性、较高的碳化产率、优异的纳米结构、超高的比表面积以及优良的导电性和稳定性,已经成为超级电容器电极材料的研究热点。本文主要介绍了聚丙烯腈基交联结构和多孔结构碳纳米纤维电极材料,元素掺杂电极材料以及与碳材料、导电聚合物、金属氧化物复合的电极材料,并对聚丙烯腈基碳纳米纤维电极材料未来的研究方向进行了展望。     

绿色高效制备电化学性能优异的多孔石墨烯电极材料

电极材料的性能决定超级电容器的储能特性,因此研究优异电极材料的制备方法是提高其储能特性的重要前提。多孔石墨烯(Porous graphene)作为新型的碳材料具有比表面积大、电导率高等优点,是一种理想的双电层电容器电极材料。本工作制备的多孔石墨烯材料微孔和中孔都很发达,孔径分布更为合理,因此其比表面积相较于原始的石墨烯有了很大的提高。经检测该材料的比表面积为1 417.65 m²·g-1,并且能够提供较高的电化学双电层电容,经测试由该材料组装成的扣式超级电容具有31.7 F·g-1的比容量且具有优良的导电特性。此外,在电流密度1 A·g-1下循环10 000次后材料比电容保持率为78%。这些电化学测试结果表明本研究制备的多孔石墨烯在超级电容器的能量存储方面具有较好的应用前景。     

聚吡咯电极材料在超级电容器中的研究进展

聚吡咯是导电稳定性最好的导电聚合物之一。因其制备方式简单、环境友好、导电率高、电容性好及独特的掺杂性,制备聚吡咯复合材料以提高电极材料的稳定性成为超级电容器导电聚合物基电极材料的热点研究方向。综述了近年来聚吡咯电极材料及其与碳基材料、金属氧化物材料等二元、三元复合电极材料应用于超级电容器中的研究进展,介绍了聚吡咯的电荷储存机制、聚合机理、制备方法等,指出了当前超级电容器聚吡咯及其复合电极材料的热点研究领域,并且展望了其发展前景。     

商业化石墨烯材料在超级电容器中的应用研究

将两款商业化石墨烯材料用于超级电容器中,考察材料的结构特性及应用方式对超级电容器性能的影响。结果表明:对于高比表面积石墨烯材料,因堆叠团聚问题导致极片过于致密,影响电解液渗透和有效利用面积,因此单独作为活性材料使用不能带来性能提升。而高电导率、比表面积适中的石墨烯材料,则适合作为活性炭电极的导电添加剂,可促进电荷传输和电解液离子扩散,提高电极比电容和功率特性;在0.5A/g电流密度下,该电极在有机电解液中的比电容值可达64.7F/g,即使在4A/g的高倍率条件下,性能相比低倍率也未出现明显下降,综合表现优于纯活性炭材料制作的电极。     

非对称型超级电容器电极材料研究进展

非对称型超级电容器结合了双电层电容器和法拉第准电容器的优点,具备高能量密度和功率密度、循环寿命长等特性,成为近年来超级电容器领域的研究热点。非对称型超级电容器电极材料包括碳材料/过渡金属氧化物体系、碳材料/导电聚合物体系和金属氧化物/导电聚合物体系,综述了非对称型超级电容器电极材料的类型及研究进展。     

二氧化锰基超级电容器的电荷储能机理研究进展（英文）

碳基材料(如碳纳米管、石墨烯和介孔碳)是典型的电化学双电层超级电容器电极材料。虽然碳基材料表现出优异的电化学稳定性能,但其比电容较低。因此,常用赝电容材料与其复合。赝电容材料中,二氧化锰(MnO_2)因理论比电容高、价格低、储量丰富和环境友好等特点,被广泛应用于超级电容器中。然而,MnO_2导电性能差、在循环充放电过程中相转变严重和体积变化大等问题,导致其在实际应用中常表现出较低的比电容。为了研发高性能MnO_2/碳基超级电容器,必须深入研究其储能机理。因此,本文分析和总结了4种MnO_2材料的电荷储能机理:电解液阳离子的表面吸附机理、电解液阳离子的嵌入-脱出机理、隧道储能机理和电荷补偿机理。虽然电荷补偿机理是涉及阳离子预先插入的MnO_2(A_xMnO_2)材料,但4种机理的本质都是Mn~(3+)和Mn~(4+)之间的相互转化,且由于储能过程复杂,MnO_2基超级电容器储能过程常是几种机理共同作用的结果。最后,对高性能MnO_2/碳基超级电容器的前景进行了展望,对其面临的主要挑战和发展策略进行了总结。     

碳纳米管在超级电容器中的应用研究进展

超级电容器是近年来发展起来的一种新型储能装置。碳纳米管由于具有独特的中空结构，良好的导电性和高的比表面积，被认为是超级电容器理想的电极材料之一，引起了广泛的关注。通过介绍碳纳米管在超级电容器中的应用研究进展，评述了碳纳米管、活化碳纳米管、碳纳米管／金属氧化物复合物以及碳纳米管／导电聚合物复合物用做超级电容器电极材料的特点和性能。认为单纯的碳纳米管由于比表面积小，比容量偏低。化学活化可以显著提高碳纳米管的比表面积，增大其比电容。将碳纳米管与准电容材料金属氧化物或导电聚合物复合。可以发挥各自的优势，从而得到低成本、高性能的复合电极材料，将是今后发展的一个方向。     

石墨烯基复合超级电容器材料研究进展

石墨烯基复合材料因其优异的性能广泛应用于各个领域,尤其在超级电容器的研究中。本文对石墨烯基复合超级电容器材料的结构进行了分类,并分别从石墨烯-碳基复合材料、石墨烯-导电高分子复合材料、石墨烯-过渡金属化合物复合材料的角度,总结了不同石墨烯基复合超级电容器材料的研究进展,重点强调了优化电极结构和提高电极性能之间的关系。同时,概述了石墨烯基复合材料在锂离子电池、太阳能电池、催化等其他方面的应用。获得高能量密度、功率密度以及长循环寿命的超级电容器是其作为电极材料的发展趋势。     

超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是一种具有优异电化学性能的新型储能装置,文章介绍了超级电容器的储能机理和优点,论述了碳基材料、金属氧化物材料及导电聚合物材料的研究进展和作为超级电容器电极材料的要求,对未来的电极材料的研究方向作出了展望。