碳基超级电容器电极材料制备及其电化学性能研究(2)
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引言
电化学是研究多类导体的界面产生的现象以及界面上发生的变化的一门科学。如今大致形成了量子电化学、光谱电化学、合成电化学、生物电化学、有机导体电化学、半导体电化学、等多个类型。电化学在很多重要的科技领域起到了重要的作用。目前世界上非常关注的研究课题, 比如材料、能源、生命科学、环境保护等以各种各样的方式与电化学联系在一起。
1.1 电容器与超级电容器
超级电容器又被称为电化学电容器，相比于传统的介电电容器和电解电容器具有更高的能量密度。与电化学电池相比，超级电容器具有功率密度大和循环寿命长等优势，可以在几秒钟的短时间内实现10kW•kg-1的高功率输入／输出，并可以循环充放电使用超过100000次；与常规双电层电容器不同，其容量可达法拉级至数千法拉，功率密度大，良好的的可逆性能（90%~95%），循环寿命长，无论是在基础研究领域还是在工业应用领域超级电容器都受到了广泛的关注[1-3]。
目前，商业化生产的超级电容器种类很多，但大多基于双电层结构。其基本结构主要由电极、电解液、隔膜、集流体和外壳组成，如图1.1所示。
图1.1 超级电容器结构示意图
1.2 超级电容器电极材料
超级电容器是兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的新型储能装置，比容量为传统电容器的20～200倍，其电极材料直接影响着超级电容器的性能。作为超级电容器的电极材料，不仅要求高的比容量，而且还应有较低的内电阻，以满足大电流快速充放电的要求[4-6]。同时，电极材料必须容易在电极/电解质界面上形成双电层电容或法拉第赝电容，并具有适当的化学和力学稳定性与良好的电子和离子导电性。目前，超级电容器的电极材料可分为碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料电极材料三大类。碳材料属于双电层材料，金属氧化物材料、导电聚合物材料属于赝电容材料[7-9]。
碳材料是最早用作超级电容器的材料，碳材料是有望工业化的电极材料，它具有原料丰富、价格低廉、加工性能好、无毒、比表面积大、导电性能好、化学稳定性高和使用温度范围广等优点。碳基电化学电容器类似于双电层电容器，碳材料的循环伏安曲线为近似矩形，是超级电容器的良好材料。碳材料主要是利用电极/溶液界面形成的双电层来储存能量。增大电极比表面积，可以增加界面双电层面积，从而提高双电层电容值。目前，研究较多的超级电容器电极材料主要有活性炭、碳纤文、碳气凝胶和碳纳米管等。在所有这些碳基电极材料当中，活性炭的成本是最低的，也是超级电容器最早使用的碳电极材料[10]。碳材料用作超级电容器电极材料有很多优势，如：化学性质惰性，不易发生电极反应，从而有利于稳定的双电层的形成；孔结构可控制，比表面积较高，因此可使电容量增大；纯度较高，导电性较好，从而漏电流较少；处理较易，与其他材料的相容性较好；价格相对较便宜[11]。
金属氧化物电极由于其氧化和还原反应在化学结构上是可逆的，具有良好的电子电导性，以及在水合氧化物晶格结构中较易进行电子和质子跃迁，从而引起质子嵌入和抽出。因此，它具有赝电容的可逆过程，且能使该电极反应深入到电极内部，将能量储存于三文空间中，提高比能量。同时金属氧化物电极材料在超级电容器中的法拉第准电容(赝电容)比碳材料电极表面的双电层电容要大很多。金属氧化物电极材料主要包括氧化钌、氧化锰、氧化钴、氧化镍几种电极材料。
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