锂掺杂二氧化锰-石墨烯纳米复合材料的控制合成及其电化学性能研究(2)
1.2 超级电容器简介
超级电容器是一种新型储能器件，它介于传统电容器与电池之间，具有高比容量和高功率密度的特点，因此在日常生活中有着非常广泛的应用前景。到目前为止研制出的超级电容器大约可存储电池十分之一的能量，并且均可以快速的将能量释放出来[1-3]。影响超级电容器性能的主要因素是其所使用的电极材料。传统的用于电池中的电极材料本身具有一些缺陷，不能满足超级电容器的使用需求[4]。经过研究发现，过渡金属氧化物在作为超级电容器电极材料时表现出了优良的性能，如RuO2、IrO2、NiO、CoOx、SnO2及MnO2等[5-6]。后续的研究中我们发现二氧化锰可作为其良好的替代品。二氧化锰材料的电化学性能主要依赖于其晶体结构，其次为微观形貌、比表面积、孔径、孔容等[7]。在此基础上，我们将传统超级电容器电极材料与石墨烯复合，制备出微观可控的纳米级复合材料，有望得到高性能﹑低成本的新型超级电容器。
Conway在1975年提出了一个新的储能原理，即法拉第准电容的储能原理，在此原理的指导下超级电容器的研发进入了飞速发展的阶段，日本的NEC、日立、松下和美国Maxell等公司已经开发出了可用于日常生活的小型超级电容器，并在市场上得到了推广和认可。此外法国和韩国的一些公司等也在积极进行超级电容器的研究和开发[8-10]。
由于电极材料在超级电容器中的关键性作用，人们对超级电容器的研究的热点集中在电极材料上。电极材料的研究方向主要有四个方面：碳电极材料，金属氧化物及其水合物电极材料，导电聚合物电极材料，混合超级电容器[11-12]。
碳材料被广泛的用作超级电容器电极材料主要是因为其具有以下特殊的物理和化学性质：(1)较高的电导率；(2)较高的比表面积(1000-2000m2•g-1)；(3)良好的抗腐蚀性；(4)高温下较高的稳定性；(5)可控的孔结构；(6)易于后续处理（7）在和其他材料的复合过程中有较好的相容性；(8)价格较便宜[13]。
影响碳电极性能的因素主要是其比表面积和内阻，对其研究希望能得到具有高比表面积和低内阻的电极材料。碳材料中可用作超级电容器电极材料的主要有以下几种：纳米碳纤文、碳纳米管、玻璃碳、活性炭粉末、炭黑、碳气凝胶以及一些有机物的碳化物等[14-15]。
碳电极中最吸引我们的是碳纳米管，它是一种中空纳米管状材料，分为单层和多层纳米管，它的比表面积大，同时有结晶度高、导电性好等优点，并在较高频率刺激下能快速的释放其存储的全部能量。E．Fraekowiak等[16]制得的多壁碳纳米管，其比表面积只有400 m2•g-1，但其双电层电容比容量达到了135 F•g-1。其多壁碳纳米管在50Hz的工作频率下，比容量没有较大的变化，稳定性较好。碳纳米管的比容量的大小与其比表面积有紧密的联系，因此可采用提高比表面积的方法来提高其比容量。Tafik Bordjiba等[17]合成了碳气凝胶-多甓碳纳米管复合材料，得到的碳纳米管的比表面积提高到710 m2•g-1，几乎为原来的两倍，同时测得其比电容达到218 F•g-1，相对原有的比电容有很大的提高。Hui Pan等[18]以氧化铝为模板制备了多壁碳纳米管，在0.5 mol•L-1的H2SO4电解液中进行电化学性能测试得到其比电容为315 F•g-1。这些结果表明高的比电容可通过增加孔尺寸和孔径分布来实现。
目前为止，RuO2/H2S04 水溶液体系是金属氧化物的超级电容器材料中性能最好的体系，Ru02材料具有电导率大，可逆性高，容量大，在强酸环境下稳定性好，良好的循环性能等优点[19]。Lokhande CD等[20]在钛基底上采用阴极电沉积技术制备了具有不同厚度的RuO2 薄膜，对其进行电化学性能测试，电解液选用0.5 mol•L-1的H2SO4水溶液，得出的结论为电极的比电容和充放电时间与其薄膜厚度有关，当薄膜厚度为0.00149 cm-2时比电容最大为788 F•g-1。但是水合RuO2也有不可忽视的缺点，即其资源有限、孔隙率比较低、市场价格高昂，在使用的时候需要强酸溶液作为电解液，有一定危险性等，为了获得低成本、高性能的Ru02材料，我们可以从以下几个方面着手改进：(1)制备高比表面积的Ru02活性物质[21]。(2)将Ru与其它材料进行复合，减少Ru在电极材料中所占的比例，同时尽量增加Ru在材料中的分散度[22]。(3)寻找其他廉价的材料代替Ru02[23]。
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