超级电容器电极材料及器件的柔性化与微型化

随着可穿戴式电子设备的快速发展,各类柔性储能器件也相继出现。柔性超级电容器因其稳定性高、体积小、电化学性能优越等特点受到研究人员的广泛关注。开发一种工艺简单、电化学性能和柔性良好的电极材料对制备性能优越的柔性超级电容器具有重要意义。材料的选取、电极的制备及器件的微型化将是未来的主要研究方向。本文主要综述了柔性超级电容器电极材料的分类、具体的制备方法以及器件的主要构型,并探讨了柔性超级电容器电极材料及器件的主要发展方向和研究重点。     

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。     

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。     

双金属氧化物和复合材料的合成及其在超级电容器中的应用进展

作为一种介于传统静电电容器和电池之间的新型储能器件, 超级电容器的整体性能受限于电极材料。研究发现, 赝电容材料拥有数十倍于碳基材料的比容量。而双金属氧化物作为一种新型赝电容材料, 因其多重氧化态、多金属离子特性和高理论容量, 在电化学储能领域备受关注。本工作系统介绍了双金属氧化物及其复合材料的合成及性质, 对双金属氧化物及其复合材料在超级电容器电极材料方面的应用进行了简要概述, 并展望了其发展前景和重点发展方向, 以及需要解决的科学问题。     

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。     

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。     

超级电容器电极材料的研究现状与展望

超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能元件,具有广阔的应用前景和巨大的经济价值.电极材料是决定超级电容器性能的关键因素,因而备受关注.主要论述了目前应用于超级电容器的多孔炭材料、金属氧化物及导电聚合物等电极材料的研究进展,探讨了电极材料今后的发展方向和研究重点,并指出大力开发复合电极材料是改善超级电容器性能的有效途径.     

纳米碳材料负载过渡金属氧化物用作超级电容器电极材料

与传统能量存储设备相比,超级电容器因具备比电容高、充放电快、绿色环保并且循环稳定性能优异等优点,在移动通信、电动汽车、国防和航空航天领域具有广阔的应用前景,已成为世界范围内的研究焦点。其中,超级电容器的电极材料是其性能的决定因素,常见的超级电容器电极材料包括碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物等。不同的电极材料的电荷储存机理不同,过渡金属氧化物具有典型的赝电容行为,依赖可逆的氧化还原反应和化学吸附/脱附过程来储存电荷,理论比电容高。然而,过渡金属氧化物同时存在导电性能差,循环稳定性不佳的缺点。碳材料主要表现双电层电容特性,依靠材料表面和电解质离子间的可逆物理吸附/脱附过程储存电荷,具有优异的倍率性能,符合实际生产和应用中对于超级电容器器件高寿命的要求,但其自身比电容相对较低。与单一属性的材料相比,复合材料往往表现出更加优异的电化学性能,大量的研究表明,过渡金属氧化物与碳材料的复合是解决上述问题的有效途径。碳材料因具有来源丰富、价格低廉、质量轻盈、比表面积高以及热稳定性好与电化学性能稳定等优点,日益受到重视,是构建赝电容电容器电极的首选基底材料。碳材料结构多样,近年来,零维的碳量子点、碳球,一维的碳纳米管、碳纳米纤维,二维的石墨烯、氧化石墨烯,三维的石墨烯泡沫、碳泡沫/海绵等均被成功地用于构建碳基复合电极材料,并取得了丰硕的成果。零维碳纳米材料具有高比表面积,提供了调节多孔性的灵活度,可以获得适合各自电解质溶液的最优化条件。一维碳纳米结构一般具有高长宽比和良好的电子传输性能,可以促进超级电容器电极的电荷转移。二维碳纳米结构具有比表面积大与导电性高、力学性能优良等特点,具备潜在赝电容行为,并且能增强超级电容器电极间的充放电反应动力学。利用三维导电材料作为模板,沉淀赝电容材料,可以构建高性能超级电容器电极。本文概述了不同维度碳材料负载过渡金属氧化物作为赝电容的电极材料及其电容性能,并对电极材料储能方面存在的不足和未来的研究方向做出了总结和展望,以期为制备性能优良、环境友好和高寿命的超级电容器提供参考。     

柔性超级电容器复合电极材料的研究进展

随着智能电子设备的不断更新换代,研发者们开始研制更加符合人们需求的电子设备,于是一种柔性可穿戴电子设备映入人们眼帘,柔性超级电容器作为一类便携式能量储存设备也受到了许多研究者的关注。其中电极是超级电容器的核心,而电极材料的选择又直接关乎超级电容器的储能本领和其它性能,于是决定力学性能及其电化学性能好坏的柔性电极材料是我们目前主要的研究对象。目前,超级电容器对电极材料的研究不仅限于某一种单一材料,重点集中在材料的复合化上,其中以掺杂改性电极材料的研究为多。首先介绍了超级电容器的性能特点和研究进展,其次重点概述了不同电极材料所具有的力学性能和电化学性能,最后对柔性电容器电极材料的研究进行了展望,希望能为柔性电容器的探究提供参考和借鉴。     

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.     

二氧化锰/聚苯胺(MnO2/PANI)复合电极材料的研究进展

过渡金属氧化物二氧化锰(MnO_2)和导电聚合物聚苯胺(PANI)都是超级电容器中备受关注的两种电极材料。首先介绍了超级电容器材料及其储能机理,并详细介绍了MnO_2电极材料的应用和缺点、PANI电极材料应用和缺点以及MnO_2/PANI二元复合材料的研究进展,最后总结了目前电极材料在超级电容器方面遇到的问题和将来电极材料的发展趋势。     

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。     

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。     

三维结构应用于储能器件的研究进展

锂离子电池和超级电容器作为新型储能器件因具有能量密度高、充放电效率高、绿色环保等诸多优点，能够应用于能源、汽车、电子器件等领域，备受研究者的关注。三维结构能够增大电极材料的单位立足面积，有效提高电极材料的利用效率，显著改善储能器件的电化学性能。为了进一步提升储能器件的电化学性能和拓宽其应用领域，设计制备具有3D结构的电极材料显得非常必要。主要对利用三维结构电极材料制备锂离子电池和超级电容器进行综述，分析了不同三维结构制备储能器件的优点以及存在的问题，并对三维储能器件的发展方向进行了展望。     

超级电容器中金属氧化物电极材料的研究进展

绿色高效清洁的能源储存与转换器件可满足低碳生活和可持续发展的需求。超级电容器因其功率密度高、充放电速度快和循环寿命高等优点引起了众多的关注。金属氧化物是目前应用最广泛的超级电容器电极材料,具有比容量高、成本低、适合商业化以及环境友好等优点。本文介绍了常用电极材料的优缺点,以及超级电容器中金属氧化物电极材料的研究进展,分析了单元金属氧化物、多元金属氧化物及金属氧化物基复合材料各自的优缺点及储能原理。最后,对金属氧化物更理想的应用在超级电容器电极材料所面临的挑战和未来发展方向进行了展望。     

过渡金属硫化物超级电容器电极材料的研究进展

过渡金属硫化物因种类丰富、价格低廉、具有多重氧化态和高理论比容量而成为一种性能优越的新型超级电容器电极材料。首先介绍了目前过渡金属硫化物主要的制备方法,如水热法、电化学方法。然后从两方面阐述了提升其电化学性能的途径:一方面可控合成具有多孔结构及大表面积的纳米材料,通过结构调控来提高离子传输效率;另一方面通过过渡金属硫化物与碳材料、金属氧化物、导电聚合物等其他储能材料间的复合,充分发挥不同材料间的协同作用。最后结合研究现状进一步提出未来过渡金属硫化物电极材料的发展方向和面临的挑战,为继续深入研究提供一定的指导作用。     

rGO/NiCo复合材料制备及电化学性能研究

超级电容器因其能量密度大、功率密度高等优异性能而被认为是理想的储能器件，能在一定程度上有效解决能源问题。电极材料决定性影响着超级电容器的性能，而具有高理论比电容的过渡金属是人们的研究热点。镍钴双金属氧化物储能效力高，但是内阻大，导致倍率性能差。基于此，本工作利用简单的水热法成功合成rGO@Ni_xCo_y纳米复合材料，通过不断调控镍钴元素的相对比例来调整物质的形貌结构，找到其最佳比例。在所有纳米复合材料中，rGO/NiCo纳米复合材料在0.5 A/g下表现出600 F/g的优异比电容值，其组装的rGO/NiCo∥rGO柔性器件在1 A/g下的比电容为418.2 F/g，能量密度为98 Wh/kg，功率密度为1 300 W/kg，且在8 000次充放电循环后仍保持93%的比电容，同时固态柔性器件可以有效地在广泛的电压窗口中操作，优异的电化学性能预示了其在柔性超级电容器器件中的应用前景。     

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     

物理气相沉积薄膜超级电容器

超级电容器作为一种可以快速充放电的储能器件,在电动汽车、微储能电子器件、航空航天等领域有广泛的应用前景。金属氮/氧化物薄膜电极具有优良的电化学性能以及稳定的机械性能,使其成为一种极具发展潜力的超级电容器电极材料。物理气相沉积(PVD)制备的薄膜具有成分结构易调控,膜层与基体结合力好,且可规模化生产等优点,可应用在超级电容器领域,特别是柔性薄膜超电电极的制备。本文论述了PVD在制备氮/氧化物薄膜电极方面的研究进展,并详细探讨了通过PVD制备的金属氮氧化物以及多元金属氮化物薄膜电极的可行性以及PVD柔性薄膜电极的发展前景。     

MXene材料的纳米工程及其作为超级电容器电极材料的研究进展

温室气体的过量排放对全球气候产生严重不良影响,如何减少碳排放已成为全球性议题。超级电容器具有使用寿命长、功率密度高、碳排放量相对较低的优点。大力发展超级电容器储能是建立未来能源系统的可靠和有效措施。MXene材料具有优良的亲水性、电导率、高电化学稳定性和表面化学可调性,近年来在超级电容器储能应用研究领域广受关注,但MXene严重的自堆叠问题限制了其储能性能充分发挥,开发更先进的MXene材料对于下一代高性能电化学储能设备至关重要。基于此,本文综述了MXene材料在超级电容器储能应用领域的研究进展,介绍了MXene的结构和储能特性,探讨了MXene的储能机理,重点剖析了纳米工程改进MXene电极性能的结构设计,详细总结了MXene复合材料构效关系和在超级电容器应用方面的最新研究进展,最后提出了MXene材料用作超级电容器电极的研究方向和发展趋势。