超级电容器电极材料
超级电容器，作为当下储能研究的一大热点，普遍具有以下优势：
1、快速的充放电特性
2、很高的功率密度
3、优良的循环特性
然而，它的不足完全制约了它的实际应用——能量密度很低。目前，商用的超级电容器可以提供10WhKg-1，而相比之下，锂离子电池的能力密度高达18010WhKg-1。因此，如何能提高超级电容器的能量密度，称为眼下超级电容器研究领域亟待解决的首要问题。学术圈致力于通过开发新的电极材料、电解质、独创的器件设计方案等方法，来实现这一问题的突破。
想要通过更好的电极材料（同时需要价格低廉，环境友好）来实现在超级电容器性能上的重大的进展，需要对电荷储存机理，离子电子的传输路径，电化学活性位点有全面、深远的认识。由此，纳米材料因为其可控的离子扩散距离、电化学活性位点数量的扩大等特点成为研究热门。
根据储能机理的不同，超级电容器可以分为：双电层电容器EDLC，赝电容。EDLC通过物理方法储存电荷——在电解质、电极材料界面上发生可逆的离子吸附。而赝电容通过化学方法储存电荷——在电极表面（几纳米深）发生氧化还原反应。通常，EDLC的电极材料为碳材料，包括活性炭，碳纳米管，石墨烯等。然而赝电容的电极材料包括：金属氧化物（RuO2, MnO2, CoOx, NiO,Fe2O3），导电高分子（PPy，
PANI,Pedot）。
设计一款高性能的超级电容的标准是：
1、很高的比容量
（单位质量的比容量，单位体积的比容量，或者是活性物质的面积）
2、很高的倍率性能
在高的扫速下200mV/s或电流密度下，容量的保持率。
3、很长的循环寿命
另外，活性材料的价格与毒性也需要计入考量。
为了制备高容量的电极材料，上述因素需要进一步讨论。
1、表面积：因为电荷是储存在电容器电极的表面，具有更高表面积的电极可以提高比容量。纳米结构的电极可以很好的提高电极的表面积。
2、电子和离子的导电性：因为比容量、倍率性能是由电子、离子的导电性共同决定，高的离子、电子电导将会很好的维持CV曲线中的矩形图线，以及GCD中充放电曲线的对称性。
同时，这也将减少充电电流增大后的比容量损失。
典型的增加电子电导的方法有：
（1）Binder-free electrode design 不实用粘结剂
（2）纳米结构集流体设计——这可以为电子传输的提供高效途径
增加离子电导的方法：
（1）精确控制孔径尺寸（比如，对离子传输开放的结构设计）
3、机械和化学稳定性：循环寿命受到电极材料姐和化学稳定性的影响。相变，溶解，活性物质边界效应是引发循环不稳定的主要因素。电极表面保护措施（包碳）可以很好的提高循环稳定性。
除了研发新的电极材料，纳米结构电极设计也同样重要。上述提到的影响因素，可以在纳米结构设计这一环节上得到很好的控制。
纳米材料可以分为：0D，1D，2D，3D。
粒子类，在外形上更偏向球形，被视为是0D。比如富勒烯，量子点，纳米-洋葱，纳米颗粒（NP）。
1D：纳米管，纳米带，纳米线，纳米柱，纳米纤维。
2D: 厚度在几个原子层，长宽两个维度远远大于厚度。
比如：石墨烯，以及很多范德华固体——MoS2, CaGe2 ，CaSi2 3D:石墨烯气凝胶，介孔碳。
一、0D 纳米结构
根据严格的定义，0D纳米结构是球形粒子，三维方向的尺寸都在纳米结构（1-100nm），然而，粒子直径超过1微米通常被认为是纳米颗粒。
固体0D纳米结构
固体纳米颗粒（纳米球）是0D纳米结构的基础，被作为超级电容器的电极材料广泛研究。碳材料，包括活性碳，碳纳米球，介孔碳；以及过渡金属氧化物，比如MnO2, NiO,Fe3O4,
均是常见的纳米颗粒电极材料。
在碳材料中，活性碳AC尤为突出。它具有高的比表面积3000m2g-1，成本低的合成工艺，孔径分布范围很大——小于2nm微孔级别的，
2-50nm介孔级别的，50nm以上大孔级别的。较大的比表面积通常导
致较大的比容量（这句话应该是限制在双电层这个范畴内的C材料电极吧）。然而，一个拥有3000m2g-1比表面积的活性碳，容量也只有不到10 uF cm-2。这是因为比容量不只由表面积决定，孔径尺寸分布，
孔形貌和孔结构，电解质的通过性，导电性等都是会综合影响比容量的。因此AC设计需要满足两条基本要求:
(1)大的比表面积
(2)合适的孔径尺寸、结构，便于离子传输
GogotsiSimon合成了洋葱碳，（纳米金刚石粉末在1800℃退火），虽然比表面积没有AC大，但是表面可以完全覆盖离子。将它做成微型超电容，保持率在70%（1到100V/s）。弛豫时间只有26ms，相比于活性碳的700ms。
金属氧化物通常受制于他们相对较差的导电性。
相关工作有：金属/氧化物混合超级电容器电极的制备，chen。
这项工作增加了MnO2的导电性。在这篇工作中，导电纳米孔金首次通过Ag65Au35（硝酸处理）制备。在这些纳米孔中生长纳米晶体MnO2
（晶粒尺寸5nm）。由于纳米孔的金实现了电子和离子的快速转移。得到的Au/MnO2 超级电容器电极在50mV/S 下比容量为1145Fg-1。
另外最近对于钙钛矿电极材料LaMnO3.09的研究，也取得了一些不俗的成绩。（有待进一步查看文献。）
空心0D材料
空心0D纳米结构，具有低密度，高比表面积（单位体积），缩短电荷和质量的传输距离等优点。合成这种材料，主要有硬模板法，软模板法，无模板法。
硬模板法因为能控制尺寸，形貌，产品的结构而被广泛应用。首先在球形硬模板上覆盖一层前驱体，然后用高温，或者化学方法移除模板（一般是硅球，聚苯乙烯胶体球，碳球）。
除了单层外壳空心0D材料，多层外壳也被广泛研究，具有更大的比表面积。NiO，Co3O4，Fe2O3已经成功的开发出了多层结构。
Zhang用LBL自组装方法合成了NiO空心纳米球，外壳数量完全可控，受制于浸入-沉淀的过程。从他的实验中，2外壳的材料展现了最高的比表面积，实现了单电极比容量612.5Fg-1（光看他们的比容量没有任何意义，还要知道载量是否足够大。）
核-壳0D纳米结构
这种结构通常是固体、空心纳米粒子，外层包裹一层薄薄的壳。将法拉第材料和非法拉第材料一同合成进入一个结构中，可以大幅提高导电性，减少团聚，提高化学、机械稳定性。
比如，zhao组用聚苯胺包裹在空心碳球做超级电容器材料，空心碳球HCS有很高的比表面积2239m2g-1。用二茂铁作为前驱体，Si作为模板，苯胺聚合12h。合成的材料具有525F/g的容量，但是随着PANI 的含量增加，倍率性能衰减，原因可能是孔被堵塞。
二、1D 纳米结构
这种材料的优点被广泛研究。
比如：沿着维度方向，离子、电子的传输速度都是惊人的。
1D 同质结构
同质结构，按照名称可以划分为三个部分：
1、长度/直径小于10，纳米棒，纳米柱
2、长度/直径大于10.纳米线
3、纳米管——内部有空心区域
合成1D同质结构方法可以划分为模板法（比如牺牲模板法AAO），无模板法两大类。
无模板法包括：水热，CVD，电沉积等。
最近，将活性物质垂直生长在导电基底上被视为一种电极设计新方法。这种设计可以提高集流体和活性物质之间的电导率，因为没有粘结剂的介入。同样，电解质与活性物质之间的离子传输也被加快，因为在这种纳米结构中产生了大量有效的空隙。
纳米棒/纳米柱
相比于纳米线，纳米棒因为长径比的不足，在表面积上会相对较小。但是同样的原因，纳米棒发生结构塌陷的机率也大幅减小，也由此增大了与电解质接触的机率，大幅提高了离子电导率。
Tong刚报到了带有氧空位的氧化铁纳米棒作为电极材料。棒状的FeOOH首先通过水热合成（氯化铁，硝酸钠，HCl）。然后在高温下（空气，氮气）热处理，得到Fe2O3和含有氧空位的Fe2O3纳米棒。后者比前者具有更大的比容量，64.5Fg-1。这种现象可能是由于氧空位增大了导电性（氧空位效果，形成了阴离子空位化合物，阳离子提供电子形成色心维持结构稳定）
纳米线
高表面积用于储存电荷、以及高的长径比用来传输电荷使得纳米线被广泛研究。
以PANI纳米线为例：
Li合成了垂直生长的PANI纳米线通过AAO模板法电化学沉积。通过苯胺、硫酸溶液在0.75V条件下沉积5000s后，再用0.01M氢氧化钠除去AAO模板就可以得到PANI纳米线阵列。单电极表现在5A/g电流密度下比容量1142F/g，500圈后保持率95%。同时，AAO的使用限制了大规模生产的可能性。后续，Wei报道了一步不需要模板的PANI纳米线阵列，PANI通过电聚合在0.01mA/cm2下反应1h，得到的阵列在1A/g 的电流密度下表现出950F/g的比容量，以及500圈后16%的损失。
NiCo2O4三元材料具备高导电性，多价态吸引了大量注意。Lou 合成了这种三元金属氧化的纳米针阵列。首先用导电基板浸入到含有亚硝酸镍，亚硝酸钴，酒精的溶液中，加热85摄氏度反应8h，热处理250摄氏度90min。上述阵列单电极得到了1118.6F/g，2000圈后只损失了10.6%。
纳米管
相比于纳米线，纳米管能提供更高的比表面积，更少的利用质量，因此在比容量上具有更大的优势。
合成纳米管的方法有模板法，CVD，水热等。在模板法条件下，通过部分沁入溶液就可以获得纳米管。这是因为材料更容易在纳米通道的壁层上优先生长。因此，操作沁入步骤对于合成过程至关重要。MnO2纳米管阵列在AAO模板法条件下生长时，通过电化学沉积10min 就可以获得。然而纳米线MnO2需要60min。纳米管的比容量也比纳米线高出2倍。同样的方法合成得到了RuO2、PEDOT纳米管。
CNT，具有比表面积高120-500m2g-1，孔结构，优良的电子电导率，
机械性能和热稳定性。Ajayan在Incnel（因克尔合金，NiCr）上生张CNT，在1000mv/s仍保持电容曲线稳定。由此表明了CNT与基板之间极小的接触电阻。比容量较低，18F/g。
1D异质结构
与同质结构不同，异质结构通常含有超过1种的组分。这种结构
的一种主要优势是综合利用其中不同组分的特性，实现更高的电导性，离子传输，更大的电化学可逆性、循环稳定性，并且提高力学稳定性。
核壳1D异质结构
即在1D的纳米结构上包覆一薄层壳。这样可以有效降低表面能，从而降低活性物质团聚的可能性，减少电极和电解质之间的边界效应，从而得到更好的循环性能。
通常条件下，这类方法都是先合成1D骨架，再在上面包覆一层保护层。常用的方法有溅射、电化学沉积、水热、CVD、点喷等。考虑到核壳的设计，可以将他们分为两类：
（1）集流体核心-活性物质外壳
（2）活性物质核心-活性物质外壳
集流体核心-活性物质外壳
1D纳米结构集流体核心提供了更短的电子传输路径，这显著增加了可以利用的电化学活性位点。通常选优机械强度比较稳定、电子良导体的金属作为集流体。合成1D金属集流体，可以用牺牲模板AAO方法，或者直接将活性物质沉积在不具备电容活性的1D纳米结构上。Teberna用AAO模板制备Cu纳米线阵列，在负载上Fe3O4.同样方法有：
Ni@MnO2,Ni@NiO,Au@MnO2，Ni@Co3O4,Mn@MnO2。
对于第二种，重点可以关注一下Thomas开展的SNAP工作。利用纳米压痕技术，制得的C集流体。
在全C的PAN上sputter一层AuPd再在上面沉积MnO2，通过AuPd 改善PAN的电化学惰性。
除了金属意外，ZnO, SnO2,Zn2SnO4, ITO等也被用来做集流体。实现了核壳1D结构。目前，这种结构多数是由纳米线、纳米棒充当集流体，纳米管结构还少有看到。但是从理论上思考，纳米管具有更加突出的优势，因为他的内外两壁，都可以用来沉积活性物质。
活性物质内核-活性物质壳壳
按照EDLC和赝电容的活性物质，核-壳搭配可以有4组合。其中EDLC核活性物质-赝电容外壳活性物质，以及两者都是赝电容应用广泛。
EDLC活性物质-赝电容活性物质有如下优点：
（1）EDLC活性物质内核充放电过程不涉及到相转变，一次具有良好的循环性能，把他们作为骨架，可以很有效的提高电容器的循环性能。
（2）EDLC材料具有很好的导电性，可以强化电荷的运输。
（3）赝电容材料作为外壳可以弥补双电层材料的低容量。
基于上述原因，Zhai合成了超电容CNT@PPy–MnO2,
CNT@PEDOT–MnO2,
CNT@PANI–MnO2。AJIAYAN也做出了相关工作，利用AAO
膜过滤MnO2，在利用CVD在过滤产生的空洞中间生长CNT。
但是我认为，在衡量器件比容量的时候，如何计算活性物质很有讲究——电极的质量如何计算，如何计算比容量？算面电容是可以的。而且这样合成的亮点在于循环寿命。
赝电容-赝电容活性物质
赝电容与赝电容的活性物质都可以贡献电容。目前比较多的有：iO, CoO@TiO2, Co3O4@PEDOT–MnO2。其中，NiCo2O4纳米线比Co3O4具备更高的导电性。比容量达到1500F/g。
需要指出：很多金属氧化物比如氧化锰，氧化钒，氧化钴，都存在在循环过程中发生相转变而溶解的问题，这一问题会逐渐腐蚀电化学活性位点的质量，导致循环性变差，机械性能变差。因此，设计一个保护层来释放应力，防止结构坍塌尤为重要。
由此，导电高分子因为他们的导电、稳定、机械性能，被选为保护层。
比如PPy生在在V2O5纳米带上。利用水热法制得的V2O5@PPy
作为正极，活性炭作为负极。
三、2D 纳米结构
2D材料的优势显而易见——离子扩散路径变小，厚度可以忽略因此只需要注意表面的电化学性能。同时，由于电容器的容量与表面的电极物质息息相关，2D材料被设想为改变电容器领域的一种材料。
2D同源结构
简单归类，就是三类物质——石墨烯类；金属氧化物、氢氧化物类；金属硫化物（TMD）、碳化物、氮化物(MXenes)等过渡金属化合物类。
石墨烯
在次之前，很多种碳材料被用于超级电容器储能，超长的循环性与适中的容量吸引了无数注意。可以，较低的导电性制约了多孔碳材料的进一步应用。同时，尽管CNT具有高的比表面积，导电性，但是电极-集流体的接触电阻太高，合成昂贵，因此阻碍了大规模进一步合成。因此，石墨烯的出现提供了一个可以克服碳材料局限并引领新发展的机会。
石墨烯具有化学稳定性（抗氧化），同时具有独特的电学（快速的电子传输），力学、热学性质。单层石墨烯具有21uF/cm(没有看错，单位是cm，？？)，同时单层EDLC预测的比容量是500F/g。但是如何设计器件，依旧是尚未解决的问题。
石墨烯超高的比表面，被预测为2630m2g-1，同时由于石墨烯的片层结构、片层之间的间距，孔隙，都是作为电极材料必备的性质。因此Ruoff断言，石墨烯电极的出现可以完全不再使用导电添加剂。
薄层的石墨烯电极，通过CVD,静电喷雾，喷墨打印等方法制得。但是，化学方法制备氧化石墨烯是最常用的。化学改善石墨烯CMG 和还原石墨烯rGO是特别引人注意的，因为他们提供了一个大批量声场，低能耗有效的化学方法来制备一个导电性接近石墨烯的材料。因此，rGO被广泛用作导电电极材料，同时GO的机械性能便得尤其重要。
（a）RGO的制备
肼是常用的一种化学还原剂。Ruoff利用水合肼在GO的悬浮液中还原合成了rGO。结果表明这款RGO比表面是705m2g-1，比容量在水溶液和有机溶液中，分别是135,99F/g。Chen使用水合肼在常温下气相还原降低了团聚。得到的比容量是205F/g。在水溶液中循环1200圈后保持率依旧在90%。尽管层与层之间重叠的很厉害，但是离子仍然能够导通。
其他还原剂，包括对苯二酚，NaBH4，也用于还原GO。有趣的是，在GO中用KOH活化的石墨烯，具有超高的比表面积，高的比容量。
（b）用物理方法制备RGO
常用的有激光还原，真空低温剥离。
加热到150-200℃，可以用来移除GO里边的O，进一步提高电导率。在200℃热处理后，可以实现122F/g（5mA）。热处理的方法有望成为绿色环保的新方法。
对于激光还原得到LRGO，在激光还原的部分，可以得到多孔的
RGO，这是因为官能团和水发生分解，因此产生了很多空隙。由于离子传输的各向异性，因此发现用激光还原的图形直接决定了电容性质。（AJAYIN的实验）
于此同时，激光还原方法指出了石墨烯电容器的一个巨大问题——由于范德华力会使得石墨烯纳米片再次团聚。这是现阶段一个巨大问题。激光被用于解决团聚。弯曲的石墨烯可以提高电容性能，通过利用固有的表面。
对于石墨烯最基础的研究_极化，电解质动力学，可能的化学反应，电极中的结构缺陷，孔特征等，将加速材料的发现。然而，这是一个复杂的问题有待解决。
金属氧化物及氢氧化物
RuO2,IrO2, MnO2, NiO, Co2O3, SnO2, V2O5 ，MoO2,
这些都被用于超级电容器的制备。为了形成光滑的薄片、合适的织构、低晶界密度，使用了各种各样的制备手法，包括旋涂，阳极化，电沉积，原子层沉积，喷涂，溅射。
参考文献有康飞宇组完成的Flexible asymmetric supercapacitors based on ultrathin two-dimensional nanosheets with outstanding
electrochemical performance and aesthetic property。
TMDs（过渡金属硫化物）
开始的时候，TMD并没有被广泛使用。尽管石墨烯的设计已经证明石墨烯作为电极材料具有可行性，但是他的大规模制备受制于开发的价格以及存在大面积缺陷的样品。TMD提供了一系列可以克服石墨烯缺陷的特点。TMD能否产生同样重要的影响，还有待进一步观察。
尽管硫化物是否可行仍有待观察，MoS2却已经开始广泛使用为电极材料。他的固有电导率被认为是高于其他金属氧化物，理论容量也高于石墨。然而，MoS2相关的文献报道还不是很多。最近，Geng 组做出了花形态的MoS2电极，电极比容量168F/g（1A/g）在循环3000圈后保持率93%。
Mxenes（过渡金属碳化物氮化物）
Gogotsi提出了Mxenes作为2D结构中的新一族。他包裹高导电性的碳化物，以及表面亲水和多羟基的碳层结构。因为大多数金属离子可以嵌入，因此可以实现很高的容量。（300F/cm3）。尽管离子嵌入都出现在电池储能材料，缓慢的扩散速度阻碍了充放电性能。然而，基于离子的吸附常用于超级电容器中。在Mxene，离子嵌入率很高，这个过程常被称为离子嵌入式赝电容。
Mxenes来源于MAX相。M代表Ti，V，Cr,Nb相对靠前的过渡族元素。A代表Al，Si，In，Sn等，X代表C/N。
2D 异质结构
考虑到提高超级电容器的能量密度，将过渡金属氧化物与导电高分子合成被认为是提高能量密度的可行方案。另外，将理论容量高的金属氧化物或导电高分子与石墨烯电极复合可以做出高电化学活性
的区域。另外，这样有助于提高导电性，热稳定性，电极的机械性能。同时减少石墨烯的团聚。
常见的有把石墨烯与金属氧化物复合的。以及与硫化物进行复合。
Dai组用RuO2和石墨烯复合完成了一个Hybrid的电极。
2011年第3期 新疆化工 11 超级电容器电极材料的研究进展 摆玉龙 （新疆化工设计研究院，乌鲁木齐830006） 摘要：超级电容器既具有超大容量，又具有很高的功率密度，因此它在后备电源、替代电源、大功率输出等方面都有极为广泛的应用前景。超级电容器的性能主要取决于电极材料，近年来各国学者对于超级电容器的电极材料进行了大量的研究。 关键词：超级电容器；电极材料 1 前言 超级电容器的种类按其工作原理可以分为双电层电容器、法拉第准电容器(也称为赝电容电容器)以及二者兼有的混合电容器。双电层电容器基于双电层理论，利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来储存能量。法拉第准电容器则基于法拉第过程，即在法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生，不仅发生在电极表面，而且可以深入电极内部。根据这两种原理，目前作为超级电容器的电极材料的主要分为三类[1]：碳材料、金属氧化物及水合物材料、导电聚合物材料。 2 碳材料类电极材料 在所有的电化学超级电容器电极材料中，研究最早和技术最成熟的是碳材料。其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的。碳电极的研究主要集中在制备具有大的比表面积和较小内阻的多孔电极材料上，可用做超级电容器电极的碳材料主要有:活性炭、纳米碳纤维、玻璃碳、碳气凝胶、纳米碳管等。 活性炭(AC)是超级电容器最早采用的碳电极材料[2]。它是碳为主，与氢、氧、氮等相结合，具有良好的吸附作用。其特点是它的比表面积特别大，比容量比铂黑和钯黑高五倍以上[3]。J.Gamby[4]等对几种不同比表面积的活性炭超级电容器进行测试，其中比表面积最大为2315m2·g的样品得到的比容量最高，达到125F/g，同时发现比表面积和孔结构对活性炭电极的比容量和内阻有很大影响。 活性炭纤维(ACF)是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。ACF的制备一般是将有机前驱体纤维在低温(200℃~400) ℃下进行稳定化处理，随后进行炭化、活化(700℃~1000) ℃。日本松下电器公司早期使用活性炭粉为原料制备双电层电容器的电极，后来发展的型号则是用导电性优良、平均细孔孔径2~5nm、细孔容积0.7~1.5m3/g、比表面积达1500~3000m2/g的酚醛活性炭纤维[5]，活性炭纤维的优点是质量比容量高，导电性好，但表观密度低。H. Nakagawa采用热压的方法研制了高密度活性炭纤维(HD-ACF)[6]，其密度为0.2~0.8g/m3，且不用任何粘接剂。这种材料的电子导电性远高于活性炭粉末电极，且电容值随活性炭纤维密度的提高而增大，是一种很有前途的电极材料。用这种HD-ACF 制作超级电容器电极[7]，结果表明，对于尺寸相同的单元电容器，采用HD-ACF为电极的电容器的电容明显提高。 炭气凝胶是一种新型轻质纳米级多孔性非晶炭素材料，其孔隙率高达80%~98%，典型孔隙尺寸<50nm，网络胶体颗粒尺寸3~20nm，比表面积高达60~1000m2/g，密度为0.05~0.80g/m3，是一种具有许多优异性能(如导电性、光导性和机械性能等)和广阔的应用前景的新型材料[8]。孟庆函，
题目超级电容器技术综述 学号 班级_____________ 学生 _______________ 扌旨导教师_______ 杨莺_________________ ______ 2014 _______ 年
超级电容器技术综述 摘要：近年来，随着经济的迅猛发展，人们在实际应用中对储能装置各项技术指标的需求不断提高，而当前电池的标准设计能力已经逐渐无法满足人们的要求，超级电容器应运而生。超级电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。作为一种新的储能元件,它填补了传统电容器和电池之间的空白, 能提供比普通电容器更高的能量和比二次电池更高的功率以及更长的循环寿命, 同时还具有比二次电池耐温和免维护的 优点。本文主要针对超级电容器的储能机理、超级电容器电极材料、超级电容器的发展动态以及未来应用的展望进行了简单的论述。 关键词：超级电容器；储能机理；活性炭；发展现状；应用展望。 A Review of the technology of super capacitor Abstract ：In recent years，With the rapid development of economy，People advance the need that can equip each technique index sign to continuously raise at practical application 。But the standard design ability of the current battery have already canned not satisfy people's request gradually ，The super capacitor emerges with the tide of the times 。The super capacitor is a kind of new energy storing device, it has many characteristics such as short refresh time, long service life, good temperature characteristic, energy conservation,Environment protecting.As a new kind energy storage element, it filled up traditional capacitor and the blank of battery.It can provide energy than the common capacitor higher and the power than secondary battery higher and the longer circulating life.Meanwhile it has the advantage of rating of temperature and no maintenance than secondary battery.The text mainly aims at the keeping of super capacitor development dynamic state of ability mechanism, super capacitor electrode material, super capacitor and in the future apply of the outlook carried on simple treatise. Key Words ：super capacitor; The energy storage mechanism; active carbon; development trend; Application trend . 引言近几年出现的超级电容器，它兼有物理电容和电池的特性，是人们未来探索的确定方向。超级电容器是比物理电容器更好的储能元件。目前，用于超级电容器的电极材料主要是炭材料，由于一些炭材料比如氧化锰低价高能，所以受到很多科学家的青睐。超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。就目前的国际形势来看，超级电容器有着很大的应用前景。 1 超级电容器概述 1.1超级电容器的定义及特点
功能材料课程报告 指导老师： 学院：材料科学与工程学院专业：材料加工工程 姓名： 学号： 日期: 2012 年7 月13 日
超级电容器电极材料研究现状及存在问题 摘要:电极材料是决定电容器性能的重要因素，高性能电极材料的开发是超级电容器研发的重点。本文主要讨论了超级电容器阳极材料的研究现状及存在问题，这些材料包括：碳材料、贵金属氧化物、导电聚合物和一些其他材料。复合或混合型电极材料可以显著提高超级电容器的综合性能，已经成为超级电容器电极材料发展的主要趋势。 关键词:超级电容器；电极材料；研究现状；存在问题
1电极材料的研究现状 1.1正极材料 目前用作超级电容器电极的材料主要有三类:碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料。 1.1.1碳材料碳是最早被用来制造超级电容器的电极材料。碳电极电容器主要是利用储存在电极与电解液界面的双电层能量，其比表面积是决定电容器容量的重要因素。尽管高比表面的碳材料比表面积越大，容量也越大，但实际利用率并不高，因为多孔碳材料中孔径一般要2nm及以上的空间才能形成双电层，从而进行有效的能量储存。而制备的碳材料往往存在微孔(小于2nm)不足的情况。所以这个系列主要是向着提高有效比表面积和可控微孔孔径(大于2nm)的方向发展。除此之外，碳材料的表面官能团、导电率、表观密度等对电容器性能也有影响[1]。 碳电极电容器其电容的大小和电极的极化电位及电极比表面积大小有关，故可以通过极化电位的升高和增大电极比表面积达到提高电容大小的目的。电极/电解质双电层上可贮存的电量其典型值约为15~40μF·cm-2。选用具有高表面积的高分散电极材料可以获得较高的电容。对理想可极化体系而言，可通过无限提高充电电压而大量储存能量。但是，对于实际体系却受电极材料和电解液组成的电极系统的可极化性和溶剂分解的限制，可通过加大电极比表面积来增加电容值。电容C可由下式给出 C=ε·ε0Ad 式中:ε ε为电导体和内部赫姆霍兹面间区域的相对0为自由空间的绝对介电常数， 介电常数，A为电极表面积，d为导体与内赫姆霍兹面之间的距离。 近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布，并开发出许多不同类型的碳材料，主要有: 多孔碳材料、活性碳材料、活性碳纤维、碳气溶胶以及最近才开发的碳纳米管等[2]。 多孔碳材料、活性碳材料和活性碳纤维：这个排列基本代表了碳材料为提高有效比表面积的发展方向。之所以发展为活性碳，主要是在于通过活化处理(如水蒸汽)后，可以增加微孔的数量，增大比表面积，提高活性碳的利用率。这些材料随制作电极工艺的不同先后出现过:活性碳粉与电解液混合制成的糊状电
超级电容器综述 超级电容器又称电化学电容器或双电层电容器，是一种新型储能器件，它利用电极/电解质交界面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化还原反应来储存能量。 超级电容器采用活性碳材料制作成多孔碳电极，同时在相对的多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别*正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别*到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层。 由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积），而且电解质与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度），所以这种双电层结构的超级电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。 目前国际上研究与发展的超级电容器可归为以下几类： ●双层电容器（Double layer capacitor） 由高表面碳电极在水溶液电解质（如硫酸等）或有机电解质溶液中形成的双电层电容，如图6-12.1所示。该图还表示出一个典型双电层的形成原理，显然双电层是在电极材料（包括其空隙中）与电解质交界面两侧形成的，双电层电容量的大小取决于双电层上分离电荷的数量，因此电极材料和电解质对电容量的影响最大。一般都采用多孔高表面积碳作为双层电容器电极材料，其比表面积可达1000－3000m2/g，比电容可达280F/g。 ●赝电容器（Pseudo－capacitor）
由电极表面上或者体相中的二维或准二维空间上发生活性材料的欠电位沉积，形成高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应产生和电极充电电位有关的电容，又称法拉第准电容；典型的赝电容器是由金属氧化物，如氧化钌构成的，其比电容高达760F/g。但由于氧化钌太贵，现已开始采用氧化钴、氧化镍和二氧化锰来取代； ●混合电容器（Hybrid capacitor） 由半个形成双层电容的碳电极与半个导电聚合物或其他无机化合物的表面反应或电极嵌入反应电极等构成。目前在水溶液电解质体系中，已有碳/氧化镍混合电容器产品，同时正在发展有机电解质体系的碳/碳（锂离子嵌入反应碳材料）、碳/二氧化锰等混合电容器。 此外，若按照电容器采用的电极材料分类，则可分为碳基型、氧化物型和导电聚合物型；而按采用的电解质类型分类，则又分为水溶液电解质型和非水电解质型（主要为有机电解质型）。在有机电解质溶液中，电容器的工作电压可提高至2.5V以上。 超级电容器的性能特点 超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理，性能比较详见下表。 超级电容器作为一种新型能源器件，具有以下主要优点： （1）功率密度高 超级电容器的内阻很小，且在电极/溶液界面和电极材料本体内部均能够实现电荷的快速贮存和释放，因此它的输出功率密度高达数千瓦/千克，是任何一种化学电源都无法比拟的，是一般技术'>蓄电池的数十倍。
一、超级电容器的发展与进步 （一）概述 在古代，人们发现了与琥珀及橡皮相摩擦，引起表面贮存电荷的可能性。然而这一效应的缘由直到18世纪中叶方被人们理解。140年后，人们开始对电有了分子原子级的了解。早期的有关莱顿瓶的发现和研究，开启了电容器的序幕。之后，电容器不断的发展起来，现如今，其发展起来的电化学超级电容器，已经应用于国防设备、电力设备、通讯设备、铁路设施、电子产品、汽车工业等方方面面，成为当代社会不可缺少的一部分。 电能能够以两种截然不同的方式存贮：一种间接方式是作为潜在可用的化学能，存贮在电池里。另一种直接的方式，则是以静电学形式将正负电荷置于一个电容器的不同极板之间来存贮电能。超级电容器在存贮电荷时有着两种原理，一种是通过双电层原理，以非法第模式来存贮电能；而另一种则是法拉第模式，通过发生氧化还原反应来产生赝电容。目前双电层型超级电容器一般采用碳材料做电极，通过碳材料的大的比表面积来增加双电层的面积，而赝电容型超级电容器一般采用氧化物或聚合物的材料来做为电极。同时，二者在制作超级电容器的时候也可以并用，从而使得超级电容器也可以划分为对称超级电容器和非对称超级电容器，对称即指电容器的两极的材料相同，非对称则不同。在电解质方面，超级电容器绝大多数均采用液体电解质，如水及其它有机溶剂。 超级电容器的电化学性能分析有很多方法，但通常都包括以下四种图：循环伏安曲线，恒流充放电曲线，交流阻抗谱，循环稳定性曲线。通过这四种图可以比较明确地判断出一个超级电容器的电化学性能的好坏，具体判断方法之后会详细说明。 超级电容器有着非常高的功率密度，但是其能量密度却比较低，它有着极好的循环充放电稳定性但是电压窗口却比较窄。但是人们也在对其进行着不断的研究来改善超级电容器的这些弊端。 （二）超级电容器的原理 超级电容器又称为电化学电容器，是介于传统电容器和电池之间的新型电化学储能器件，它的出现填补了Ragone图中传统电容器的高比功率和电池的高比能量之间的空白。一方面，与传统电容器相比，超级电容器的电极材料往往选用高比表面积材料，如活性碳，通过静电作用在固/液界面形成对峙的双电层存储电荷，因此超级电容器拥有比传统电容器高的能量密度，静电容量能够达到千法拉至万法拉级；另一方面，与电池能量存储机理类似，超级电容器可以通过法拉第氧化还原反应完成电荷存储和释放，由于主要依靠电极表面或近表面的活性材料存储电荷，超级电容器与电池相比，能量密度较低，但是具有高的功率密度和循环稳定性。 1 传统电容器 传统的平行板电容器是所有静电电容器储能的基础，传统电容器电能的储存来源于电荷在两极板上聚集而产生电场。平行板电容器的静电电容的计算公式为： r是两极板材料的相对介电常数，0是真空介电常数，A是电极板的正对面积，d 是两极板的距离。 2 双电层超级电容器 双电层电容器是通过静电电荷分离，依靠固/液界面的双电层效应完成能量的存储和转化。电解液离子分布可为两个区域——紧密层和扩散层。其双电层电容可视为由紧密层电容和扩散层电容串联而成。双电层电容器正是基于上述理论发展起来的。充电时，电子经外电
高性能锂硫电池的研究进展 摘要：目前传统的锂离子电池在电子产品中发挥着重要作用。然而受到其较低的理论比容量的限制(约150～200Wh/kg)，锂离子电池将难以满足人类发展的长远需求，例如电动汽车行业的发展。锂硫电池的理论能量密度为2600Wh/kg，是锂离子二次电池的3～5倍，是极具应用前景的电化学储能体系，近年来引起了研究人员的广泛关注。人们提高电极导电性、维持电极结构稳定性、提高硫的负载率和利用率以及加强电池循环寿命等方面开展了大量的研究工作。本文将就近几年锂硫电池的发展进行相关介绍和讨论。 关键词：锂硫电池正极材料纳米结构材料改性电解质电池结构 Research progress in High-Performance Lithium-Sulphur Batteries Ren Guodong (School of Metallurgy and Environment, Central South University，0507110402) Abstract：Lithium-ion batteries has played an important role in the electronics at present.But due to its low theoretical energy density ,which is only 150～200Wh/kg,therefore the lithium-ion batteries cannot meet the long-term needs of society in the future,just in the case of the development of electric vehicles.Lithium-sulphur battery is a promising electrochemical energy storage system which has high theoretical energy density of 2600Wh/kg,that is 3~5 times to lithium-ion battery.And it has arised more and more attentions recently.Great efforts have been made by reseachers to improve the conductivity of the electrode , the stability of electrode structure,the loading capicity of sulphur ,the utilization efficiency of sulfur in the cathode and the enhancement of cycle life of the battery．In this paper,the recent research of lithium-sulphur battery will be analyzed and discussed. Keywords：lithium-sulphur battery cathode material nano-structure modification electrolyte cell configuration 1.前言 电能储存技术和设备将会在未来社会发展中成为一项十分重要的需求。传统
超级电容器是一种新型的储能装置，具备充放电快、效率高、稳定性好等优点，是一种清洁的绿色能源，是21 世纪的新型绿色能源。超级电容器有很大的市场潜力。通过对超级电容器电极材料进行研究，发现多孔碳材料作为超级电容器电极材料的电化学性能的影响。 目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。 目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。 1、活性炭材料 对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植
物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。是一种已经商品化的超级电容器电极材料。活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。 2、炭气凝胶电极材料 炭气凝胶是一种交联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大，孔隙率高，孔径分布广，是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。密度跨度大，孔隙率好，而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料，同时，在制备的时候，可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度。 3、碳纳米管 碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。从超级电容器对电极材料的要求上看，碳纳米管材料是非常适合用来做电极材料的，因为碳纳米管的结构是空管的形状，表面积大，尤其是壁很薄的碳纳米管，比表面积更大，非常有利于双电层电容的储备。碳纳米管要是制成电极时，还会具备特殊的孔，这些孔是由微观状态下，碳纳米管互相缠绕，好似网状结构，管与管之间就形成了孔洞的结构，孔与孔之间都是互相连通的，没有堵死的情况，这在用作电极的时候，对于电解液的流通的很重要的。而且这种由管径互相缠绕得到的孔不会太小，一般都是属中孔，这会使电极的内阻很低，这些都是超级电容器电极所需要具备的。目前对碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要集中在将它直接用于超级电容器上，或者将
电子技术查新训练文献综述报告 题目超级电容器技术综述 学号3130434055 班级微电132 学生赵思哲 指导教师杨莺 2014 年
超级电容器技术综述 摘要：近年来，随着经济的迅猛发展，人们在实际应用中对储能装置各项技术指标的需求不断提高，而当前电池的标准设计能力已经逐渐无法满足人们的要求，超级电容器应运而生。超级电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。作为一种新的储能元件,它填补了传统电容器和电池之间的空白,能提供比普通电容器更高的能量和比二次电池更高的功率以及更长的循环寿命,同时还具有比二次电池耐温和免维护的优点。本文主要针对超级电容器的储能机理、超级电容器电极材料、超级电容器的发展动态以及未来应用的展望进行了简单的论述。 关键词：超级电容器；储能机理；活性炭；发展现状；应用展望。 A Review of the technology of super capacitor Abstract：In recent years，With the rapid development of economy，People advance the need that can equip each technique index sign to continuously raise at practical application。But the standard design ability of the current battery have already canned not satisfy people's request gradually，The super capacitor emerges with the tide of the times。The super capacitor is a kind of new energy storing device, it has many characteristics such as short refresh time, long service life, good temperature characteristic, energy conservation,Environment protecting.As a new kind energy storage element, it filled up traditional capacitor and the blank of battery.It can provide energy than the common capacitor higher and the power than secondary battery higher and the longer circulating life.Meanwhile it has the advantage of rating of temperature and no maintenance than secondary battery.The text mainly aims at the keeping of super capacitor development dynamic state of ability mechanism, super capacitor electrode material, super capacitor and in the future apply of the outlook carried on simple treatise. Key Words：super capacitor; The energy storage mechanism; active carbon; development trend; Application trend .
材料科学导论 课程论文 题目： 院（系）： 专业： 姓名： 学号： E–mail：
超级电容器的研究综述 摘要：超级电容器具有储存能量大、比功率大、耐低温、免维护、低污染等突出优点，广泛地应用在启动、牵引动力、脉冲放电和备用电源等领域。综述了超级电容器的发展和超级电容器的研究进展，认为要想更大地提高超级电容器的比容量和储能密度等，需要进一步对电极材料、电解质材料、加工工艺、结构设计等方面进行研究。 关键词：超级电容器；电极材料；电解质材料 Research summary of supercapacitor Abstract: Supercapacitor could be used in start, traction, pulse-discharge and standby power with the advantages of high energy, high specific power, low temperature tolerance, maintenance free and low pollution. The research progress of supercapacitor and the development of super- capacitor were reviewed. It was concluded that in order to increase the specific capacity and energy density of supercapacitor, it was necessary to research the electrode materials, electrolyte material ,processing technology and structure design further. Key words: supercapacitor；electrode material；electrolyte material
锂离子电池聚阴离子型硅酸盐正极材料的研究进展3 左朋建,王振波,尹鸽平,程新群,杜春雨,徐宇虹,史鹏飞 (哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001) 摘要 综述了硅酸盐正极材料的设计、特性、制备及电化学性能,介绍了基于密度泛函理论的量子化学计算在锂离子电池材料设计中的方法和理论,认为进一步开展Li 2MSiO 4及其复合材料的理论和实验研究可以获得性能优异的高容量正极材料。 关键词 锂离子电池 正极材料 硅酸盐材料 量子化学计算 电化学性能中图分类号:TM912.9 文献标识码:A Research Progress on Poly 2anionic Silicate Cat hode Materials for Lit hium Ion Batteries ZUO Pengjian ,WAN G Zhenbo ,YIN Geping ,C H EN G Xinqun , DU Chunyu ,XU Yuhong ,S H I Pengfei (School of Chemical Engineering and Science ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001) Abstract The progress on the design ,preparation ,characteristics and electrochemical performance of silicate cathode materials for lithium ion batteries is reviewed.The quantum chemistry method based on the DFT is introduced to accomplish the design of lithium ion batteries.The theoretical and experimental studies on the Li 2MSiO 4and its composite are key factors to the development of next generation of high 2capacity lithium ion batteries. K ey w ords lithium ion battery ,cathode material ,silicate material ,quantum chemistry calculation ,electro 2chemical performance 3高等学校博士学科点专项科研基金新教师基金(200802131064);国家自然科学基金(20673032);中国博士后科学基金(No. 20070420860);哈尔滨工业大学科研创新基金(HIT.NSRIF.2008.25) 左朋建:男,博士后,讲师 尹鸽平:女,教授,博士生导师 Tel :0451286403216 E 2mail :zuopj @https://www.doczj.com/doc/6517999708.html, 锂离子电池自20世纪90年代商业化以来,由于具有工作电压高、能量密度大、自放电率低、循环寿命长、无记忆效应以及环境友好等优点而成为便携式电子产品的理想电源。近年来新一代电子产品及动力工具的开发与应用对二次电源系统的比能量和比功率提出了更高要求,而新型高容量电极材料特别是正极材料的设计与制备是获得高性能锂二次电池的关键。 锂离子电池正极材料主要有无机金属化合物材料、有机分子材料和聚合物材料3大类[1],其中无机金属化合物材料已经由初始的金属硫化物发展到目前应用的金属氧化物。但是上述正极材料各自具有一些难以克服的缺点,如比容量偏低、价格较高、循环性能不理想以及存在安全隐患等[2]。相对于负极材料的研究,在过去一二十年里,尽管科学家们付出诸多努力开发出多种正极材料,但具有理想容量的可实用化材料始终未能得到[3]。目前商业化锂过渡金属氧化物的理论容量也相对较低,而且材料在充电态时由于具有强的氧化性而易与电解液发生反应,从而影响电池的安全性能。 以LiFePO 4为代表的聚阴离子型正极材料的出现为下一代高比能量、高比功率锂离子电池的出现注入了强劲动 力[4]。作为安全廉价正极材料的重要选择,聚阴离子型的硅 酸盐正极材料如Li 2FeSiO 4和Li 2MnSiO 4也引起了科研工作者的重点关注,特别是在此类材料的通式(Li 2MSiO 4)中由于含有的活性锂较LiFePO 4材料多1倍,因此,硅酸盐聚阴离子正极材料的开发为寻找新型高容量电极材料提供了重要的可行性。如在Li 2MnSiO 4材料中,由于不同于Li 2FeSiO 4化合物中的Fe 只存在2种价态过渡金属离子(Fe Ⅱ和Fe Ⅲ), Mn 存在更高的氧化态,即若从Li 2MnSiO 4材料中脱出的锂 离子超过1个(单位化学式中),那么Mn Ⅲ(对应的化合物为 LiMnSiO 4)就能进一步氧化为Mn Ⅳ,并最终生成全脱锂态的Mn Ⅳ SiO 4化合物。如果全脱锂态的化合物是稳定的,那么其 对应的可逆容量可以达到333mA ?h/g 。这将会是自1991年锂离子电池问世以来电极材料容量研究领域一个重要的突破。然而,目前的聚阴离子型硅酸盐正极材料的实际可逆容量大都维持在100mA ?h/g 左右,即使起始几个循环的可逆容量较高,其后材料也会发生较大的容量衰减。 因此,进一步明确此类正极材料的结构特性和嵌脱锂反应机理,找到材料的失效机制和容量衰减原因,完成高容量、安全性好的复合型聚阴离子硅酸盐正极材料的设计和制备,
超级电容器电极材料 超级电容器，作为当下储能研究的一大热点，普遍具有以下优势： 1、快速的充放电特性 2、很高的功率密度 3、优良的循环特性 然而，它的不足完全制约了它的实际应用——能量密度很低。目前，商用的超级电容器可以提供10WhKg-1，而相比之下，锂离子电池的能力密度高达18010WhKg-1。因此，如何能提高超级电容器的能量密度，称为眼下超级电容器研究领域亟待解决的首要问题。学术圈致力于通过开发新的电极材料、电解质、独创的器件设计方案等方法，来实现这一问题的突破。 想要通过更好的电极材料（同时需要价格低廉，环境友好）来实现在超级电容器性能上的重大的进展，需要对电荷储存机理，离子电子的传输路径，电化学活性位点有全面、深远的认识。由此，纳米材料因为其可控的离子扩散距离、电化学活性位点数量的扩大等特点成为研究热门。 根据储能机理的不同，超级电容器可以分为：双电层电容器EDLC，赝电容。EDLC通过物理方法储存电荷——在电解质、电极材料界面上发生可逆的离子吸附。而赝电容通过化学方法储存电荷——在电极表面（几纳米深）发生氧化还原反应。通常，EDLC的电极材料为碳材料，包括活性炭，碳纳米管，石墨烯等。然而赝电容的电极材料包括：金属氧化物（RuO2, MnO2, CoOx, NiO,Fe2O3），导电高分子（PPy，
PANI,Pedot）。 设计一款高性能的超级电容的标准是： 1、很高的比容量 （单位质量的比容量，单位体积的比容量，或者是活性物质的面积） 2、很高的倍率性能 在高的扫速下200mV/s或电流密度下，容量的保持率。 3、很长的循环寿命 另外，活性材料的价格与毒性也需要计入考量。 为了制备高容量的电极材料，上述因素需要进一步讨论。 1、表面积：因为电荷是储存在电容器电极的表面，具有更高表面积的电极可以提高比容量。纳米结构的电极可以很好的提高电极的表面积。 2、电子和离子的导电性：因为比容量、倍率性能是由电子、离子的导电性共同决定，高的离子、电子电导将会很好的维持CV曲线中的矩形图线，以及GCD中充放电曲线的对称性。 同时，这也将减少充电电流增大后的比容量损失。 典型的增加电子电导的方法有： （1）Binder-free electrode design 不实用粘结剂 （2）纳米结构集流体设计——这可以为电子传输的提供高效途径 增加离子电导的方法：
锂离子电池电极材料综述 一、引言 从上世世纪70年代起锂离子电池的研究至第一个可充式锂-二硫化钼电池于1979年研究成功，再到1991年SONY公司首次推出商品化锂离子电池产品算起，锂离子电池的发展至今已有30多年的时间。锂离子电池是以Li+嵌入化合物为正负极的二次电池，实际上是一个锂离子浓差电池，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。与其它蓄电池相比，锂离子电池具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、安全性能高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等优点。目前，锂离子电池已经被广泛应用于移动通讯、便携式笔记本电脑、摄像机、便携式仪器仪表等领域。随着这些电器的高能化，轻量化，对锂离子电池的需求也越来越迫切。同时被看作是未来电动汽车动力电源的重要候选者之一，并在空间技术、国防工业等大功率电源方面展示出广阔的应用前景 二、工作原理 锂离子电池通常正极采用锂化合物，负极采用锂－碳层间化合物。电介质为锂盐的有机电解液。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡。放电时， Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。在正常充放电过程中， Li+在层状结构的碳材料和层状结构的金属氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构。 三、电极材料 （1）电极材料的性能要求 简单来说，电池主要包括正极、负极、电解质与隔膜四个部分。正极材料通常是一种嵌入化合物，在外电场作用下化合物中的锂可逆的嵌入和嵌出；负极材料一般是层状结构的碳材料。 锂离子电池正极材料在改善电池容量方而起着非常重要的作用。理想的正极材料应具备以下品质：点位高、比能量大、电池充放
目前，用于超级电容器的电极材料主要是碳材料，市场上主要是活性炭材料，因为活性炭的成本较低，且活性炭具有很高的比表面积，这是超级电容器电极材料所必须具备的特点。但是，活性炭的导电性一般，微观结构主要以微孔形式存在，因此在电解液中会有很大的电阻，电解液浸透电极的过程会比较慢，在存储和传输电荷的时候也会比较慢，但是它的成本低，基本可以满足市场的要求，因此被作为市场上电容器的主要材料，其它的碳材料有比活性炭更优越的性能，但是成本较高，所以没有被用作商业化。因此，寻找性能好，成本低的电极材料是当前超级电容器领域的主要研究方向，从而制备出性能优越，成本低，能够广泛应用于市场的超级电容器，具有重大意义。 目前用于研究超级电容器电极材料的碳材料主要有活性炭、炭气凝胶、碳纳米管、玻璃碳、石墨烯、碳纤维以及碳/碳复合材料。碳材料原料低廉，表面积大，适合大规模生产。但是单纯不加修饰碳电极材料没有很高的比电容，还需要对其进行改性等研究。 1、活性炭材料 对于活性炭材料，不同的处理方法，会得到不同比表面积的活性炭，一般表面积可以高达 1000～3000m2/g，而且具有不同的空隙，孔径范围宽，生产工艺简单，成本低廉，可以从沥青、植物硬壳、石油焦、橡胶等各种原材料中得来。是一种已经商品化的超级电容器电极材料。活性炭材料的活化方法多种多样，可以分为物理活化和化学活化两种。 2、炭气凝胶电极材料
炭气凝胶是一种交联结构的网状的碳材料有多孔性，导电性好，表面积大，孔隙率高，孔径分布广，是唯一可以导电的气凝胶，电导率高。密度跨度大，孔隙率好，而且质量较轻，属于非晶态的纳米碳材料，同时，在制备的时候，可以通过调节工艺参数控制其孔径分布和微粒尺度。 3、碳纳米管 碳纳米管这是一种有类似石墨的六边形组成的碳材料，微观上看两端封闭的多层的管子，直径有几十纳米，层间距要比石墨层间距稍大。从超级电容器对电极材料的要求上看，碳纳米管材料是非常适合用来做电极材料的，因为碳纳米管的结构是空管的形状，表面积大，尤其是壁很薄的碳纳米管，比表面积更大，非常有利于双电层电容的储备。碳纳米管要是制成电极时，还会具备特殊的孔，这些孔是由微观状态下，碳纳米管互相缠绕，好似网状结构，管与管之间就形成了孔洞的结构，孔与孔之间都是互相连通的，没有堵死的情况，这在用作电极的时候，对于电解液的流通的很重要的。而且这种由管径互相缠绕得到的孔不会太小，一般都是属中孔，这会使电极的内阻很低，这些都是超级电容器电极所需要具备的。目前对碳纳米管作为超级电容器电极材料的研究主要集中在将它直接用于超级电容器上，或者将碳纳米管和别的材料复合用作超级电容器。 4、活性炭纤维 活性炭纤维是一种环保材料，具有比活性炭更加优越的吸附性能，由它得到的高表面积的活性炭纤维布已经成功用于商业化的电极
锂离子电池三元正极材料的研究进展 2009年09月01日作者：丁楚雄／孟秋实／陈春华来源：《化学与物理电源系统》编辑：樊晓琳 摘要：本文综述了锂离子电池正极材料层状三元过渡金属氧化物Li-Ni-Co-Mn-O 的研究进展，讨论了三元材料的结构特性与电化学反应特征，重点介绍了三元材料的制备方法和掺杂、表面修饰等改性手段，并分析了三元材料目前存在的问题和未来的研究重点。 关键词：锂离子电池；Li-Ni-Co-Mn-O；层状结构；制备方法；改性 Abstract: The research progress of the ternary transition metal oxides LiNi1-x-yCoxMnyO2 as layered cathode materials for lithium ion batteries is reviewed. The structure and electrochemical performances of the materials are discussed. Various synthesis methods, doping and surface-modification approaches are introduced in detail. Finally, the current main problems and further research trend of the materials are pointed out. Key words: lithium ion battery。cathode。layered structure。synthesis methods。modification 1、引言 锂离子电池因其电压高、能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点倍[1, 2]，但随着电子信息技术的快速发展，对锂离子电池的性能也提出了更受青睐高的要求。正极材料作为目前锂离子电池中最关键的材料，它的发展也最值得关注。 目前常见的锂离子电池正极材料主要有层状结构的钴酸锂、镍酸锂，尖晶石结构的锰酸锂和橄榄石结构的磷酸铁锂。其中，钴酸锂
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