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双电层超等电容器电极质料

2019-11-15

电极质料作为超等电容器的焦点组成部分之一, 其性能直接决定了器件的整体性能。电极质料主要分为双电层质料和赝电容质料。


用作双电层超等电容器的质料主要是碳基质料, 包括活性炭、 纳米级炭、 石墨烯等。碳基质料的本钱比较低, 稳定性高, 电导率比较高, 并且基于物理吸附的双电层储能机制, 其功率密度很是高, 输出电流能够抵达几百安(输出电压在3V左右), 所以高性能碳基质料仍然是科学研究与商业应用的热点之一。关于通例碳基质料来说, 充电时电解液离子的吸附只爆发在电极外貌, 而内部质料往往没有被充分利用, 再加上这种物理吸附自己的限制, 所以这类电极质料的能量密度往往很低。


以活性炭为电极质料, 以Li2SO4为电解液制成超等电容器, 在输出功率为200W/kg 时能量密度为16.9Wh/kg, 将输出功率密度提升到4kW/kg时, 能量密度降为8.4 Wh/kg。提高碳基质料能量密度的要害因素在于提高其比外貌积, 改善孔径漫衍, 调解颗粒尺寸和修饰外貌状态。 使用具有差别孔径的3D介孔二氧化硅作为模板, 逾期的碳酸饮料作为碳源合成了具有高比外貌积和可调孔径和功效化外貌的高度有序的中孔碳质料, 该质料具有高比外貌积(1400~1810 m2/g)、大孔体积(1.45 ~ 2.81cm3/g) 和可调孔径(3.5 ~ 5.2nm)等优异性质, 制成的电极在1A/g电流密度下比电容最高为284F/g。

纳米碳

接纳榆钱为碳源制备出了具有三维脚手架骨架结构的多孔炭纳米片,该质料在KOH电解液里的比电容达470 F/g, 能量密度约11 Wh/kg。将5种放弃茶叶进行高温碳化, 然后再经KOH 溶液活化, 获得了一种无定型活性炭, 比外貌积高达2245~2481 m2/g, 以该质料为电极, 以 KOH为电解液, 制成的超等电容器在电流密度为 1 A/g下比电容最大抵达330 F/g, 且循环稳定性十分优异。碳纳米管是一种纳米标准无缝中空管状碳质料, 可看作由石墨卷曲而成, 分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。 碳纳米管的电导率很高, 并且孔径都在2nm以上, 更利于形成双电层, 被人们认为是最理想的超等电容器电极质料。理想的碳纳米管除端头处外, 险些所有的碳原子都应该是以六边形的形式键合的, 可是在大批量生产时会引入许多五边形和七边形, 性能大大降低, 并且制成电极后保存自放电与团聚现象。通常的解决步伐是对碳纳米管电极质料进行外貌活化以提高其亲水性, 或者与金属氧化物质料复合来弥补缺点。将MWCNTs 作为电极组成超等电容器, 在1A/g 电流密度下比电容为 62.9F/g, 与二硫化钼复合后 MoS2/MWCNTs 复合质料电极的比电容大幅提高到452.7 F/g。


石墨烯在超等电容器中也有着不俗的应用。石墨烯是一种单层二维质料, 理论比外貌积高达 2630m2/g, 稳定性高, 比电容能抵达200 F/g以上, 功率特性和循环稳定性也十分优异。简单地将热还原的氧化石墨烯薄膜破坏成小块, 制备了一种高密度石墨烯薄片(HDGF), 这种石墨烯薄片在坚持其致密结构的同时突破了石墨烯薄膜的连续性, 实现了高聚集密度与快速的离子和电子传输,所制备的HDGF同时具有高质量比电容(237 F/g)和体积比电容(261 F/cm3 ), 以及10000次循环后98%初始电容的优异循环稳定性。

石墨烯

实际上, 碳基质料关于任何一种超等电容器来说都是一种优秀的活性物质。但从上述讨论的情况来看, 碳基超等电容器尚保存如下缺乏: (1)比电容低; (2)能量密度低; (3)可选择性低。第一点缺乏通常是由于碳基质料的外貌利用率低及孔隙漫衍不均等原因造成的, 常见的解决步伐包括灵活地选择碳源、巧妙地设计工艺路线、合理地利用模板等要领, 开发出外貌形貌奇特、孔隙均匀、疏散性好、与电解液浸润水平高的新型碳基质料。第二点缺乏通?赏ü⑿滦椭柿侠┐蟊鹊缛, 选择合适的电解液扩大电势窗口以及与赝电容质料搭配制造非对称型超等电容器等要领改善。 第三点缺乏是由于相比于赝电容质料, 碳基质料的种类较少, 解决步伐是实现质料复合化, 利用差别质料各自的优点, 针对差别情况灵活地开发出差别的质料体系。

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