超级电容器电极材料的研究进展
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摘 要：电化学超级电容器以其独有的大电流、大容量、充放电速度快和循环寿命高等特点，受到世界的关注，所以许多新型的电化学超级电容器电极材料得以发现和应用。超级电容器是利用电化学双电层储能原理或在电极材料表面附近发生快速可逆氧化还原反应来储能的新型装置，其具有高的比电容、比功率和较长的循环寿命。本文综述了超级电容器电极材料在超级电容器中应用的最新研究进展。
关键词：超级电容器；电极材料；复合材料
随着全球资源匮乏、生态环境遭到破坏和气候变暖等问题的出现，人类将更加关注太阳能等可再生能源的应用。但是可再生能源本身的特点决定了这些发电形式和电能输出常常受到季节、气侯和地域的影响，具有明显的不稳定性和不连续性。要解决这一缺陷必须要发展与之配套的高效储能装置，而超级电容器是一种介于二次电池和常规电容器之间的新型储能装置。同时兼有常规电容器大功率密度和二次电池高能量密度的优点，且超级电容器还具有无污染、使用温度范围广、安全性高等特点，故超级电容器在新能源发电等领域中具有广泛的应用前景。近年来，科研人员先后开发使用了多种电极材料，大致可将其分为三大类，即碳基电极、金属氧化物、导电聚合物。
1 碳基电极
在目前使用的超级电容器中，应用最广泛的电极材料就是具有高比表面积和多孔结构的碳材料。至今报道过的碳材料有碳纤维、碳纳米管以及石墨烯等。碳基材料是利用双电层储能原理，即在电解液中的电极表面与溶液两侧分布电荷数量相等，但是符号相反的离子层，在电极上和溶液中形成了两个电荷层，即常说的双电层，于是相间产生了电位差，故可通过这个原理，通过增大碳材料的比表面积来提高超级电容器的比电容。
炭纤维在性能方面较活性炭材料相比，具有更大的优势，其孔道畅通，不同孔径间连接比较紧密，有利于电荷的吸附和电解液的传输，同时耐热性优良、膨胀性低并且具有良好的化学稳定性，故是优良的电极材料。2014年5月Hsu等[1]通过静电纺丝技术由N、N-二甲基甲酰胺、聚丙烯晴（PAN）和聚丙烯晴-丁二烯（PAN-co-PB）制备了相互连接的碳纳米级纤维，其制备的碳纳米纤维经电化学测试显示出高比电容量和良好的循环寿命，证实了相互连接的碳纳米纤维在超级电容器应用中的优势。另一种碳基材料石墨烯在超级电容器应用领域具有巨大的潜力，其具有超大比表面积、高电导率和化学稳定性等优异的特性[2]。但在实际应用中，石墨烯自身还是存在着一定缺陷，例如其表面难以被电解液润湿，亦或石墨烯片层之间较强的范德华力造成的团聚现象，因此对石墨烯的研究还在进一步探索。目前解决办法一是非共价键的表面改性，二是利用过渡金属氧化物对石墨烯进行表面改性从而提高其应用范围。
2 属氧化物
以金属氧化物作为电极材料的超级电容器属于法拉第赝电容，赝电容不仅在电极表面上产生，也可以产生于整个电极内部，故可得到比双电层电容更高的电容量。金属氧化物电极材料的电容量通常可达到双电层电容的10～100倍，由此可见金属氧化物具有很好的应用前景。用于超级电容器的金属氧化物以氧化钌为代表，虽然其具有较高的比电容量和导电性，但由于成本过高限制了其商业化应用。因此，近几年研究的重心主要集中在氧化i、氧化钴等较便宜的金属材料上。
二氧化锰材料具有对环境友好、价格低廉以及电化学工作窗口宽的特点，并且二氧化锰电极材料的超级电容器可采用中性电解质溶液，如Na2SO4的水溶液，而不像其他金属氧化物超级电容器必须采用强碱或强酸的电解质，这就使二氧化锰基超级电容器更加环保，并且组装及使用更加方便和安全。此外将纳米技术应用于超级电容器电极材料领域，可利用纳米级二氧化锰电极材料高的比表面积、较短的电子输运距离，来大大提高其电化学活性。1999年Goodenough等人首次研究了无定型二氧化锰电极材料在超级电容器中的应用，其利用共沉淀法制备二氧化锰电极材料的超级电容器，在2 mol/L的KCL电解液中，比电容可达203 F/g[3]。自此，还有很多类型的二氧化锰电极材料得以发展。另外Kuang等[4]合成了蒲公英形态的NiCo2O4介孔微球，研究表明用这种材料作为超级电容器的电极，拥有很好的大电流放电能力和优秀的循环放电寿命，具有良好的应用前景。
3 导电聚合物
相比与前两种电极，导电聚合物是一种新型的电极材料，其比电容通常是碳基材料的2～3倍，并兼有成本低、充放电时间短等优势。导电聚合物是通过充放电过程的氧化还原作用，在聚合物膜上产生快速n型或p型掺杂、脱掺杂来储存高密度电荷从而产生大法拉第电容。目前，常用的材料有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）等具有共轭结构的聚合物及其衍生物。
Yue等[5]将聚吡咯包裹在棉纤物表面上，制作成了一种可长短伸缩的电极，其原理是利用乙腈和对甲苯磺酸的混合液通过电化学聚合法将聚吡咯涂于棉纤物表面。在1.0 mol/L的NaCl电解液中该材料的电极表现出很好的应张力，并且能够保持良好的循环稳定性和伸缩性。
目前，复合材料展现出优异的高比电容和稳定性的特点，利用不同材料间的协同作用，通过复合、掺杂等方式来实现材料的复合化；以及实现电极材料的纳米化，来改善电子、离子传输扩散路径，从而提高电极性能，是未来研究的主要方向。
参考文献
[1] HSU Y H， LAI C C， HO C L， et al. Preparation of interconnected carbon nanofibers as electrodes for supercapacitors [J]. Electrochim Acta， 2014， 127（1）： 369-376.
[2] 滕牧.石墨烯基材料在超级电容器中的应用[J]. 电子元件与材料， 2014， 33（9）： 11-13.
[3] Lee H Y， Goodenough J B.[J]. Solid state chem， 1999， 144：220.
[4] KUANG M， ZHANG W， GUO X L， etal. Template-free and large-scale synthesis of hierarchical dandelion-like NiCo2O4microspheres for high-performance supercapacitors [J]. Ceram Intern， 2014， 40（7）： 10005-10011.
[5] YUE B B ， WANG C Y， DING X， et al. Electrochemically synthesized stretchable polypyrrole/fabricelectrodes for supercapacitor [J]. Electrochim Acta， 2013， 113（15）： 17-22.