科研开发2019·02177Chenmical Intermediate当代化工研究

超级电容器的电极材料的研究进展＊胡勤政1,2　王英学1,2　曹宏伟1,2

（1.甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室 甘肃 7301002.西北民族大学化工学院 甘肃 730030）

摘要：超级电容器具有高比电容、工作电压范围广、环境友好、高能量密度和高功率密度等特性，作为一种新型的储能器件被广泛应用

到各种领域。本文介绍了超级电容器的组成，储能原理以及电极材料的分类，而超级电容器研究热点集中在电极材料上，并对电极材料的发展趋势进行了展望。关键词：超级电容器；双电层电容；赝电容电极；电极材料；复合材料

中图分类号：T 文献标识码：A

Research Progress of Electrode Materials for UltracapacitorHu Qinzheng1, 2, Wang Yingxue1, 2, Cao Hongwei1, 2

(1.Gansu Provincial Key Laboratory of Environment-friendly Composite Materials and Biomass Utilization, Gansu, 7301002.Chemical Engineering College of Northwest University For Nationalities, Gansu, 730030)Abstract：Ultracapacitoris widely used in various fields as a new type of energy storage device because of its high specific capacitance, wide

operation voltage range, environment-friendly, high energy density and high power density. In this paper, the composition of ultracapacitor, energy storage principle of ultracapacitor and the classification of electrode materials are introduced. The research hotspot of ultracapacitor is focused on electrode materials, and the development trend of electrode materials is prospected.Key words：ultracapacitor；double layer capacitance；pseudopotential electrode；electrode material；composite material

1.引言随着全球经济的快速增长，能源的过度开采及使用，并造成能源的枯竭和环境污染等问题越来越严重，人们急切需要一种新型的、存量丰富的、清洁的能源存储设备来解决以上问题。超级电容器作为一种新型的电化学储能器件被广泛关注研究。本文综述了超级电容器的基本组成跟分类，阐述他的结构和储能机理，介绍了电极材料的研究进展。2.超级电容器的概述超级电容器又称电化学电容器，是基于电极和电解质之间形成的界面来存储电能的器件，介于常规电容器和二次电池之间的新型绿色储能器件。超级电容器具有高比电容、工作电压范围广、环境友好、高能量密度和高功率密度等特性，具备传统电容器的高功率输出和二次电池储备电荷的能力。现如今超级电容器已经在电子、通讯、医疗、国防、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。(1)超级电容器的组成与分类

超级电容器由集流体、电极、电解液和隔膜组成。超级电容器根据储能机理的不同可以分为以下三类：①双电层电容器，是基于电极与电解质之间形成的双电层界面来储存能量。②赝电容电容器，与双电层电容器储能不一样是基于电极表面的嵌入、欠电位沉积、氧化还原的法拉第电荷的转移实现的。 ③电化学混合电容器，采用一电极产生双电层电容，而另一电极产生赝电容来组装成的非对称的超级电容器。(2)超级电容器的工作原理

①双电层电容器工作原理

在电极和电解液界面上，离子跟电子由于静电作用形成定向排布的双电层，在充电的过程中，通过外接电源的作用，电子从负极迁移到正极；在电解液内部由于静电作用，阳离子向负极移动，而阴离子向正极移动，形成定向排布的双电层电容，能量被储存。放电过程则是充电过程的逆过程。双电层电容器是物理过程所以有着循环性能好，但存在着电容较低的缺点。 ②赝电容工作原理赝电容器储能机制与双电层电容器的储能机理不同，它是电极表面的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸/脱附或氧化还原反应来储存能量。赝电容电极材料的储能方式主要有以下三种反应类型：离子的可逆吸附；电解液离子参与的氧化还原反应；导电聚合物可逆的电化学掺杂和去掺杂。3.超级电容器的优点（1）高比电容：超级电容器电容量是传统电容器的2000-6000倍。（2）高功率密度：可达300W/kg～5000W/kg。（3）充电速度快：超级电容器在可在10s-10min充满电容器。（4）工作温度范围广：超级电容器的典型工作温度范围从-40至70℃。（5）可循环使用：寿命长，几乎可无限循环使用。（6）环境友好：绿色环保，其材料无毒、安全性高。4.超级电容器的电极材料(1)碳基材料

碳基材料由于成本低、原材料来源广、导电性能优异、环境友好及循环稳定性好等优点而被广泛应用于超级电容器科研开发2019·02

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中。碳基材料的性能的好坏是影响双电层超级电容器电化学性能的的主要因素，而碳基材料的导电性好坏、比表面积大小、孔径分布多少、微观形貌以及其表面官能团的多少是影响碳基材料主要影响因素。超级电容器中的碳基材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。在超级电容器的碳基电极材料中，碳纳米管具有原材料丰富、价格较低、电化学稳定性高等特点被应用于超级电容器电极材料。碳纳米管材料的电导率也是影响超级电容器性能的关键因素。Babel等用被KOH溶液活化的碳纳米管，使得碳纳米管电极材料的电容量与未活化时的碳纳米管相比增加了一倍。Wang等通过恒电流电化学聚合的方法制备了G@PPY复合材料应用于超级电容器，在3M KCl电解液中，拥有0-0.8V的工作电压范围，并且在当前电流密度为240Ag-1下测

得其质量比电容为224Fg-1，可以看出G@PPY复合材料具有好

的电化学稳定性。虽然碳基材料具有好的循环稳定性，但是比电容较小制约着它的应用。(2)导电聚合物基电极材料

典型的导电聚合物主要有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚（3，4-乙撑二氧噻吩）等。导电聚合物电极材料具有较广的电导率范围、宽的温度范围、环境友好、原料价格低廉等优点。Cheng等将聚苯胺纳米线包覆在电刻蚀的碳纤维布上形成PANI@C复合材料，其质量比电容高达673Fg-1。

虽然导电聚合物拥有大的电容，但是充放电过程中容易破坏的骨架制约着它的进一步应用。(3)金属化合物电极材料

过渡金属化合物电极材料产生的是赝电容，与导电聚合物电极材料相比拥有更好的电话学稳定性，与碳基材料相比拥有更高的能量密度。过渡金属化合物电极材料包括金属氮化物电极材料、金属硫化物电极材料、金属氧化物电极材料等。如Liang等用水热合成法制备了纳米线状MoO3，通过电

化学性能测试显示具有较好的电化学性能。Wan等通过水热合成的方法制备得到CoS纳米管材料，其在电流密度为0.5Ag-1

下具有的比电容为285Fg-1且具有良好的循环稳定性。Lu等制备得到了TiN纳米线作为电极材料，具有高的体积能量密度（0.05mWhcm-3）和稳定的循环性能。虽然金属化合物电极

材料拥有大的电容，但是循环稳定性差制约着它的大规模使用。5.结语从近几年的研究来看，人们为了提高超级电容器的电化学性能不断优化电解液跟电极材料，而电极材料的优化是研究的重点，为了得到更好的电化学性能把碳基材料、金属化合物材料和导电聚合物材料进行两两复合或三者进行复合得到的纳米复合材料作为电极材料，能够去除彼此的缺点汇集各自的优点。所以纳米复合材料超级电容器在以后的工业生产中将会大放异彩。

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