淺析電化學(xué)超級電容器的電極材料

馬雨瀟(湖北工程學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感　432000)

淺析電化學(xué)超級電容器的電極材料

馬雨瀟(湖北工程學(xué)院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感432000)

電化學(xué)有關(guān)超級電容器實(shí)際上是一種存在于蓄電池以及常規(guī)電容器中間的一種新型儲能設(shè)備和器件，相較于常規(guī)電容器其有著更大的比能量，更高的比功率以及循環(huán)使用壽命。本文針對電化學(xué)方面的超級電容器有關(guān)電極材料進(jìn)行分析。

電化學(xué)超級電容器；電極材料；研究

由于化石能源的緊缺以及環(huán)境污染愈加劇烈，人們需要找到一種清潔、高效，并且還能進(jìn)行可持續(xù)利用的有關(guān)能源。燃料電池、化學(xué)電容器以及蓄電池等都是實(shí)用、有效的有關(guān)電化學(xué)轉(zhuǎn)換以及儲能裝置。近些年來，因為電化學(xué)超級電容器具有循環(huán)壽命長，功率密度高，并且兼具傳統(tǒng)之中雙電層電容器以及燃料電池的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)而受到極大的關(guān)注。

1　碳材料

碳材料是有望成為工業(yè)化的相關(guān)電極材料。它有著價格低廉、原料豐富、無毒、加工性能好、化學(xué)穩(wěn)定性高、導(dǎo)電性能好、比表面積大以及使用溫度范圍比較廣等有關(guān)優(yōu)點(diǎn)。對于碳基相關(guān)的電化學(xué)電容器來說，其與雙電層電容器比較相似，碳材料實(shí)際的循環(huán)伏安曲線是近似矩形，能夠成為超級電容器方面的良好材料。有關(guān)碳材料主要是憑借電極或者是溶液界面形成的一種雙電層來完成能量儲存。提高電極實(shí)際的比表面積，能夠提高界面雙電層實(shí)際的面積，進(jìn)而提升雙電層具體的電容值。

1.1活性炭。上個世紀(jì)五十年代，Becke通過將高比表面積的活性炭覆蓋在金屬基底上，在將其浸入到硫酸溶液之中，通過活性炭孔道形成的雙層構(gòu)造進(jìn)行存儲電荷。因為活性炭的比表面積以及孔分布狀況與其制備方法有著直接的關(guān)系，并受其原材料的主要種類等因素的影響。現(xiàn)階段主要通過化學(xué)浸漬集合物理活化的復(fù)合型活化技術(shù)開展，這種工業(yè)方法可以通過加強(qiáng)對工藝條件的控制，優(yōu)化其活化整體效果。

1.2碳凝膠。活性炭在使用的過程中無法有效的控制其孔分布問題，而碳凝膠的出現(xiàn)可以有效的解決這一問題。最早開發(fā)碳凝膠的是R.W.Pekala研究小組，他們通過把C6H4（OH）2與HCHO按照摩爾比1：2混合之后，將其溶解在重蒸餾、去離子的水中，將Na2CO3作為其堿性試劑，通過處理之后得到了碳凝膠。碳凝膠具有快速釋放能力的特征，極大的加強(qiáng)了功率的密度，將碳凝膠作為電極，把微孔玻璃纖維當(dāng)做隔膜，通過將4mol/ L的氫氧化鉀作為電解質(zhì)，組裝的超級電容器，其功率高達(dá)7.7kW/kg，可以存儲27.38J/g的能力，其比電容值具體為39F/g。

1.3碳納米管。碳納米管有著較為優(yōu)良的導(dǎo)電性、較大的比表面積、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)以及適合電解質(zhì)離子遷移的孔隙特點(diǎn)，是現(xiàn)階段公認(rèn)的高功率電容器的優(yōu)秀電極材料。但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中，因為非定向生長的碳納米管的取向較為雜亂、其非晶碳含量較大，無法將其完全純化，嚴(yán)重的制約了碳納米管的實(shí)際應(yīng)用。在近年的發(fā)展過程中，人們對高度有效的碳納米管的相關(guān)研究較為重視，碳納米管在電容器集流體上的陣列生長額可以有效的降低了活性物質(zhì)同集流體的接觸電阻，降低了電極制備相關(guān)程序。

1.4碳纖維，活性炭纖維的性能高于活性炭材料。因其孔道較為通暢、不同類型的孔隙連接較為緊密，對電解液的吸附與傳輸較為有利。活性炭纖維有著優(yōu)秀的耐熱性、較低的膨脹性以及優(yōu)秀的化學(xué)穩(wěn)定性是極為理想的電極材料。

2　有關(guān)導(dǎo)電高聚物方面的電極材料

對于導(dǎo)電高聚物來說，其有著環(huán)境影響小、價格低、通過摻雜之后導(dǎo)電能力強(qiáng)以及儲能高等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以是良好的電極材料。關(guān)于導(dǎo)電高聚物相關(guān)電容器具體的原理就是利用氧化—還原過程完成的。當(dāng)出現(xiàn)氧化反應(yīng)的時候，離子轉(zhuǎn)移到有關(guān)高聚物的“骨架”之上；然后在還原過程當(dāng)中，離子又重新回到電解液當(dāng)中。高聚物作為有關(guān)電化學(xué)電容器方面的貯能材料，其進(jìn)行氧化—還原轉(zhuǎn)變、實(shí)際的轉(zhuǎn)變機(jī)理以及穩(wěn)定性、還有摻雜或者是去摻雜過程等都和聚合物本身具體的結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用改變單體結(jié)構(gòu)以及制備條件能夠?qū)ζ渥龀稣{(diào)整。

日本相關(guān)分子科學(xué)研究完成了有著大比表面積的有關(guān)多孔結(jié)構(gòu)，同時還有各種機(jī)能的有關(guān)平面上的高分子組合體方面的開發(fā)。利用熔融的金屬鹽當(dāng)做相關(guān)的催化劑，處于300℃至500℃之下，這種材料能夠縮合成相關(guān)的氮縮環(huán)結(jié)構(gòu)，從而讓電解質(zhì)離子之間的相互作用變得更加強(qiáng)烈，并且多孔材料所具有的孔洞結(jié)構(gòu)可以使比能量、電容量以及實(shí)際輸出功率都得到非常大的提升。

3　二氧化釕（RuO2　）

從上世紀(jì)70年代開始，人們就已經(jīng)對RuO2的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。RuO2在酸性以及堿性環(huán)境當(dāng)中實(shí)際的贗電容行為是有差異的，這種情況涉及到了不同反應(yīng)。如果相關(guān)的電解液是H2SO4，那么多孔的RuO2在150℃的時候最大電容值能夠達(dá)到720F/g；如果相關(guān)的電解液是KOH，那么晶態(tài)的RuO2在200℃的時候最大電容值能夠達(dá)到710F/g。當(dāng)在酸性電解質(zhì)當(dāng)中的時候，具體的反映過程如下：

Ru的氧化態(tài)從二階變成了四階。但是在堿性溶液當(dāng)中，有關(guān)價態(tài)的變化則會出現(xiàn)另一種情況。根據(jù)有關(guān)研究證明，在C/ Ru復(fù)合材料進(jìn)行充電的時候，復(fù)合電極當(dāng)中的RuO2能夠被氧化變成RuO42～、RuO4～以及RuO4，但是在放電的時候，這些高價態(tài)又能夠被還原成RuO2。

RuO2電容主要來源于其表面反應(yīng)，隨著其比表面積的增大而增大。在一般狀況下，主要通過提高其比表面的增大提高其電容量，進(jìn)而提高了微孔的比例，可以充分的滿足電解液擴(kuò)散的條件。在實(shí)際的操作過程中我們通過增大比表面積加強(qiáng)其整體容量的主要方法有：把二氧化釕沉積在基地表面較為粗糙的基地之上；把二氧化釕涂抹在有著高比表面積的材質(zhì)之上，如碳纖維等；例如，當(dāng)把水合二氧化釕薄膜在鈦基底上進(jìn)行沉積，將其作為電極材料的時候，可以發(fā)現(xiàn)其有著明顯的可逆性質(zhì)以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

馬雨瀟（1993-），男，甘肅武威人，材料化學(xué)專業(yè)，湖北工程學(xué)院本科在讀.