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超级电容器电极材料科普

超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材

料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。研究和开发高性能、低成本

的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。目前研究较多的超级电容器电极

材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧化物)、导电聚合物等，而碳材料和金

属氧化物电极材料的商品化相对较成熟，是当前研究的热点。

1什么是超级电容器？

超级电容器(supercapacitors或ultracapacitors)又称电化学电容器

(electrochemicalcapacitors)，是一种介于二次电池与常规电容器之间的新型

储能器件，兼有二次电池能量密度高和常规电容器功率密度大的优点；此外，超

级电容器还具有对环境无污染、效率高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性

高等特点，在电动汽车、新能源发电、信息技术、航空航天等领域具有广泛的应

用前景。

超级电容器还可以与充电电池组成复合电源系统，既能够满足电动车启动、

加速和爬坡时的高功率要求，又可延长充电电池的循环使用寿命，实现电动车动

力系统性能的最优化。当前，国内外已实现了超级电容器的商品化生产，但还存

在着价格较高、能量密度低等问题，极大地限制了超级电容器的大规模应用。

超级电容器主要由电极、集流体、电解质和隔膜等4部分组成，其中电极材

料是影响超级电容器性能和生产成本的最关键因素。研究和开发高性能、低成本

的电极材料是超级电容器研发工作的重要内容。

目前研究较多的超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物(或者氢氧

化物)、导电聚合物等，而碳材料和金属氧化物电极材料的商品化相对较成熟，

是当前研究的热点。因此，本文将重点介绍碳材料、金属氧化物及其复合材料等

高性能电极材料的必威体育精装版研究进展以及商品化应用前景。

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2碳材料作为超级电容器电极材料的必威体育精装版研究进展

碳材料发展史

碳材料是目前研究和应用最为广泛的超级电容器电极材料，主要包括活性

炭、模板炭、碳纳米管、活性炭纤维、炭气凝胶和石墨烯等。碳材料具有导电率

高、比表面积大、电解液浸润性好、电位窗口宽等优点，但其比电容偏低。碳材

料主要是利用电极/溶液界面形成的双电层储存能量，称双电层电容。增大电极

活性物质的比表面积，可以增加界面双电层面积，从而提高双电层电容。

碳纳米管

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碳纳米管是20世纪90年代初发现的一种纳导电性和化学稳定性、较大的

比表面积、适合电解质离子迁移的孔隙，以及交互缠绕可形成纳米尺度的网状结

构，因而曾被认为是高功率超级电容器理想的电极材料。

Niu等人最早报道了将碳纳米管用作超级电容器电极材料的研究工作，他们

采用催化热解法将烃类制成多壁碳纳米管薄膜电极，在质量分数为38%的H2SO4

电解液中以及在0.001～100Hz的不同频率下，比电容达到50～110F/g，其功

率密度超过了8kW/kg。但是，自由生长的碳纳米管形态各异、取向杂乱，甚至

夹杂伴生有非晶态碳，难以纯化，这就提高了其实际应用的难度。

由于活性炭具有稳定的使用寿命、低廉的价格以及大规模的工业化生产基

础，已经在商品化超级电容器生产中被广泛采用。20世纪60年代，Becker申

请了第1个关于活性炭材料电化学电容器的专利，他在金属基底上涂覆具有高

比表面积的活性炭，然后浸渍在H2SO4溶液中，借助在活性炭孔道界面形成的

双电层结构来存贮电荷。

制备活性炭的原料来源非常丰富，煤、木材、坚果壳、树脂等都可用来制备

活性炭粉。原料经调制后进行活化，活化方法有化学活化和物理活化两种。化学

活化是在500～700℃的温度下，采用磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠和氯化锌等作

为活化剂；物理活化通常是指在水蒸气、二氧化碳和空气等氧化性气氛中，在

800～1200℃高温下，对碳材料原料进行处理。采用活化工艺制备的活性炭孔

结构通常具有尺寸跨度较宽的孔径分布，包括微孔(2nm)、介孔(2～50nm)和

大孔(50nm)。

需要指出的是，当活性炭比表面积高达3000m2/g时，也只能获得相对较

小