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(electrochemical capacitors)，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最新研究进展以及商品化应用前景。
2碳材料作为超级电容器电极材料的最新研究进展
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
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，
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
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：
超级电容器电极材料综述 原创：jqzhu 本文对超级电容器的背景，电极材料的储能原理、性能评价和电容器的制备方法，以及国内外报道的超级电容器电极材料做了详细的归纳和总结。可作为超级电容器研究的入门资料。原创作品，学术不端检索比例小于3%，可以作为本科，硕士，博士论文中第一章文献综述的重要参考资料。（全文5万余字，参考文献齐全）。值得拥有。 目 录 超级电容器综述 (2) 1.1 引言 (2) 1.2 电化学电容器的理论基础与应用 (4) 1.2.1 电双电层电容器和法拉第赝电容器 (4) 1.2.2比电容，电压，功率和能量密度 (7) 1.2.3电解液 (10) 1.2.4电化学电容器的制备 (13) 1.2.5 电极材料的评价方法 (15) 1.2. 6 电化学电容器的优点、挑战以及应用 (18) 1.3电极材料 (25) 1.3.1 碳材料 (27) 1.3.2 导电聚合物(CPs) (30)
1.3.3 非贵金属氧化物/氢氧化物 (36) 1.3.4 贵金属氧化钌电极材料 (52) 1.4 多元活性氧化物材料的结构特点及制备技术 (65) 1.4.1 多元氧化物的结构和性能特点 (65) 1.4.2 多元氧化物的制备技术 (67) 参考文献 (71)
超级电容器综述 1.1 引言 随着经济和科学技术的发展，人类对能源的需求逐年递增，导致不可再生的石化能源储量逐年减少，而排放的有害气体，温室气体却与日俱增，环境污染日趋严重。因此，当前世界各国都在致力于开发清洁、高效的可再生能源，以及能源储存和转换的新技术和新设备。 在大多数应用领域，最为有效的和实用的能量储存与转换的技术包括蓄电池、燃料电池、以及电化学超级电容器（ES）。最近的十几年里，由于具有高功率密度、长循环寿命等性能优点，超级电容器越来越受到广泛的重视。超级电容器的性能介于传统介电容器（超高功率/低能量密度）和蓄电池/燃料电池（高能量密度/低功率密度）之间，刚好填补它们的性能间隙[1, 2]，因此有着广泛的应用的前景。 最早的电化学电容专利申请于1957年。然而，直到20世纪90年代，电化学电容器才真正进入人们的视野，逐渐受到少数行业的重视，例如混合电动交通工具开发领域[3, 4]。此时电化学电容器的作用是提升电池/燃料电池的性能，在汽车启动、加速或刹车瞬间提供充足的动力[5, 6]。在随后发展过程中，人们才逐渐意识到，电化学电容器还有一个非常重要的作用，即作为电池和燃料电池的能量补充，在电池或燃料电池出现瞬间断电时提供备用电能[7]。鉴于此，美国能源总署认定在未来能源储存系统中电化学电容器和电池/燃料
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
循环伏安cyclic voltammetry (CV) 由CV曲线，可以直观的知道大致一下三个方面的信息 ? Voltage window（水系电解液的电位窗口大致在1V左右，有机电解液的电位窗口会在2.5V 左右）关于很多虫虫问，电位窗口应该从具体的哪个电位到哪个电位，这个应该和你的参比电极和测试体系有关。工作站所测试的电位都应该是相对于参比电极的，所以不要纠结于为什么别人的是0-1V，而你测试的是-0.5-0.5V，这个与参比电极的本身电位（相对于氢标的电位）以及测试的体系本身有很大关系。 ?Speci fic capacitance （比电容，这个是超级电容器重要的参数之一，可以利用三种测试手段来计算，我一般都是利用恒电流充放电曲线来计算） ?Cycle life （超级电容器电极材料好坏的另一个比较重要的参数，因为一个很棒的电极材料应该是要做到既要有比较高的比电容又要有比较好的循环稳定性） 测试的时候比较重要的测试参数：扫描速度和电位扫描范围。电位的扫描范围，一般会在一个比较宽的范围扫描一次然后选择电容性能还比较好的区间再进行线性扫描，扫描速度会影响比电容，相同的电极材料相同测试体系扫速越大计算出的比电容会越小。 恒电流充放电galvanostatic charge–discharge (GCD) 由GCD测试曲线，一般可以得到以下几方面的信息： ?the change of specific capacitance（比电容的变化可以从有限多次的恒电流充放电中体现，直观的就是每次充放电曲线的放电时间的变化） ?degree of reversibility(由充放电曲线的对称也可以中看出电极材料充放电的可逆性) ?Cycle life（循环寿命，换句话也就是随着充放电次数的增多，电极材料比电容的保持率）恒电流充放电测试过程中比较重要的测试参数有电流密度，还有充放电反转的电位值。电流密度可以设置为电流/电极面积，也可以设置为电流/活性物质质量。我在测试的过程中一般依据活性物质的质量设置为XXmA/mg。充放电反转的电位值可以依据循环伏安的电位窗口，可以设置为该区间或者小于该区间。 交流阻抗electrochemical impedance spectroscopy (EIS) 由交流阻抗曲线可以看出体系随着频率改变的变化趋势，得出测试体系某个状态下的包括溶液电阻、扩散阻抗的情况，可以通过测试交流阻抗对测试的未知体系进行电化学元件模拟。关于交流阻抗，谈谈频率和体系元件的响应关系，总的来说，交流阻抗之所以能得到诸多信息，关键在于不同器件本身对于频率的相应不同。Nyquist图中最先响应的总是纯电阻，然后是电容和电化学反应，最后是扩散过程。纯电阻，在电场建立的同时即可响应。交流阻抗的测试过程中会出现两个图：Nyquist图和Bode图，Nyquist图反应的是随着频率的变化虚轴的阻抗值和实轴的阻抗值的变化，Bode图反应的是阻抗的模值随着频率的变化以及相位角随频率的变化。 交流阻抗测试过程中比较重要的设置参数有：交流幅值以及频率范围。交流幅值对于超级电容器一般会选择5mV，频率一般会选择100kHz-10mHz，当然也会有不同体系不同对待，很多文献中会选择测试到0.1Hz就停止了，这样来说根本没有测试低频区体系真正的性能测试就已经停止了。真正反映测试体系的电容性能，漏电性的低频区的直线很重要。当然如果测
超级电容器材料综述 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
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
超级电容器电极的制备及性能测试 超级电容器的主要技术指标有比容量、充放电速率、循环寿命等。 本实验采用EC500系列电化学工作站三电极法（包括循环伏安法、交流阻抗等），考察不同活化方法处理后电极的电化学性能。 1.循环伏安法 1.1电化学体系三电极介绍 电化学体系借助于电极实现电能的输入或输出，电极是实施电极反应的场所。 一般电化学体系分为二电极体系和三电极体系，循环伏安法通常采用三电极系统。相应的三个电极为工作电极（研究电极W）、参比电极(R)和辅助电极（对电极C）。 三电极组成两个回路： 研究电极和参比电极组成的回路构成一个不通或基本少通电的体系，利用参比电极电位的稳定性来测量工作电极的电极电位。 研究电极和辅助电极组成另一个回路构成一个通电的体系，用来测量工作电极通过的电流。这就是所谓的“三电极两回路”，也就是测试中常用的三电极体系。利用三电极体系，来同时研究工作电极的电位和电流的关系。 图 1 三电极系统原理图 对于三电极测试系统，之所以要有一个参比电极，是因为有些时候工作电极和辅助电极的电极电位在测试过程中都会发生变化，为了确切的知道其中某一个电极的电位（通常是工作电极的电极电位），就必须有一个在测试过程中电极电位恒定且已知的电极作为参比来进行测量，以为研究电极提供一个电位标准。 但是，仅仅使用三电极体系还不够，因为，随着电化学反应的进行，研究电极表面的反应物质的浓度不断减少，电极电位也随之发生或正或负的变化，也就是说随着电化学反应的进行，研究电极的电位会发生变化。为了使电极电位保持稳定，即将研究电极对参比电极的电位保持在设定的电位上，通常使用恒电位电解装置（恒电位仪），这样，便用了恒电位仪的三电极体系，可以为我们提供用以解释电化学反应的电流—电位曲线，这种测定电流—电位曲线的方法叫做伏安法。
2015年11月同济大学 超级电容器活性炭电极材料的发展 专业：化学工程与工艺 学号：1353901 姓名：巩宇锈
本文简单介绍了超级电容器的原理以及应用范围。提出了电容器电极材料的选择，就其中一种性能高的材料——活性炭在超级电容器的发展过程中的改进做了介绍，包括其理论提出、比表面积，孔径分布、表面官能团等性质的发展。最后对活性炭电极材料的未来发展方向进行了展望。 关键词：超级电容器活性炭材料 ABSTRACT This paper briefly introduce the principles and application prospect of supercapacitor. Selecting the capacitor electrode material is proposed. As the high performance of a material - activated carbon, its development process of supercapacitoris presented, including its proposed theory, the development of the specific surface area, pore size distribution, surface functional groups, and other properties. At last, the future direction of activated carbon electrode material is put forward. Keywords:supercapacitor; activated carbon materials
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(electrochemical capacitors)，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最新研究进展以及商品化应用前景。
渤海大学 学士学位论文 题 目： 超级电容器新型电极材料的制备及性能研究 学生姓名： 指导教师： 院 系： 化学化工与食品安全学院 专 业： 班 级： 论文答辩日期：2012.05.27
超级电容器新型电极材料的制备及性能研究 姓名 化学化工与食品安全学院 摘要：超级电容器是近年发展起来的一种新型储能元件，具有功率密度高、寿命长、无需维护及充放电迅速等特性。其中电极材料的性质和电解液的类型是影响超级电容器性能的关键因素。本论文以热稳定性高、绿色无污染的1-甲基-3-己基咪唑三氟乙酸离子液体（[Hmim][CF3]）为基础，微波下分别与葡萄糖、蔗糖和淀粉反应，合成新型的粘稠状的碳点离子液体复合物，用此复合物部分的代替传统活性炭极片制备中的黏结剂和导电剂，制备出新型的超级电容器电极材料。通过扫描电镜观察新型极片的表面微观结构；采用循环伏安、恒流充放电及交流阻抗等测试方法对新型电极材料进行电化学性能研究，其中，葡萄糖-碳点离子液体复合物的效果最好，比容量从285.7 F·g-1提高到365.5 F·g-1，内阻由1.92 Ω降低到0.61 Ω，充放电效率由89.9%分别提高到97.6 %。 关键词：活性炭；电极材料；碳点离子液体；超级电容器；电化学性能
Supercapacitor Energy Storage and Its Application 英文名 College of Chemistry, Chemical Engineering and Food Safety Abstract: The super capacitor is developed in recent years a new type of energy storage devices with high power density, long life, maintenance-free and charge and discharge quickly characteristics.The nature of the electrode materials and electrolyte type is a key factor affecting the performance of the super capacitor. Based on the papers to the high thermal stability, green pollution-free 1 - methyl - 3 - hexyl TFA ionic liquid ([Hmim] [CF3 groups), microwave, respectively, with glucose, sucrose and starch reaction, the synthesis of new viscous ionic liquid compound of carbon points to use instead of this complex part of the traditional activated carbon pole piece in the preparation of the binder and conductive agent, prepared a new type of electrode materials for supercapacitor. Microscopic structure of the new scanning electron microscope on the surface of the pole piece; by cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge and AC impedance test electrochemical properties of new electrode materials, including the effect of glucose - Point Carbon ionic liquid complexes well, the specific capacity increased from 285.7 F ? g-1 to 365.5 F ? g-1, the internal resistance decreased to 0.61 from 1.92 ΩΩ, charge-discharge efficiency increased to 97.6% from 89.9%, respectively. Key word s: Activated carbon; electrode material; Point Carbon ionic liquid; super capacitor; electrochemical performance
科研开发 2019·02 177 Chenmical Intermediate 当代化工研究 超级电容器的电极材料的研究进展 ＊胡勤政1,2 王英学1,2 曹宏伟1,2 （1.甘肃省高校环境友好复合材料及生物质利用省级重点实验室 甘肃 730100 2.西北民族大学化工学院 甘肃 730030） 摘要：超级电容器具有高比电容、工作电压范围广、环境友好、高能量密度和高功率密度等特性，作为一种新型的储能器件被广泛应用 到各种领域。本文介绍了超级电容器的组成，储能原理以及电极材料的分类，而超级电容器研究热点集中在电极材料上，并对电极材料的发展趋势进行了展望。 关键词：超级电容器；双电层电容；赝电容电极；电极材料；复合材料 中图分类号：T 文献标识码：A Research Progress of Electrode Materials for Ultracapacitor Hu Qinzheng 1, 2, Wang Yingxue 1, 2, Cao Hongwei 1, 2 (1.Gansu Provincial Key Laboratory of E nvironment-friendly Composite Materials and Biomass Utilization, Gansu, 730100 2.Chemical Engineering College of Northwest University For Nationalities, Gansu, 730030) Abstract ：Ultracapacitoris widely used in various fields as a new type of energy storage device because of its high specific capacitance, wide operation voltage range, environment-friendly, high energy density and high power density. In this paper, the composition of ultracapacitor, energy storage principle of ultracapacitor and the classification of electrode materials are introduced. The research hotspot of ultracapacitor is focused on electrode materials, and the development trend of electrode materials is prospected. Key words ：ultracapacitor ；double layer capacitance ；pseudopotential electrode ；electrode material ；composite material 1.引言 随着全球经济的快速增长，能源的过度开采及使用，并造成能源的枯竭和环境污染等问题越来越严重，人们急切需要一种新型的、存量丰富的、清洁的能源存储设备来解决以上问题。超级电容器作为一种新型的电化学储能器件被广泛关注研究。 本文综述了超级电容器的基本组成跟分类，阐述他的结构和储能机理，介绍了电极材料的研究进展。 2.超级电容器的概述 超级电容器又称电化学电容器，是基于电极和电解质之间形成的界面来存储电能的器件，介于常规电容器和二次电池之间的新型绿色储能器件。超级电容器具有高比电容、工作电压范围广、环境友好、高能量密度和高功率密度等特性，具备传统电容器的高功率输出和二次电池储备电荷的能力。现如今超级电容器已经在电子、通讯、医疗、国防、航空航天等领域得到越来越广泛的应用。 (1)超级电容器的组成与分类 超级电容器由集流体、电极、电解液和隔膜组成。超级电容器根据储能机理的不同可以分为以下三类： ①双电层电容器，是基于电极与电解质之间形成的双电层界面来储存能量。 ②赝电容电容器，与双电层电容器储能不一样是基于电极表面的嵌入、欠电位沉积、氧化还原的法拉第电荷的转移实现的。 ③电化学混合电容器，采用一电极产生双电层电容，而另一电极产生赝电容来组装成的非对称的超级电容器。 (2)超级电容器的工作原理 ①双电层电容器工作原理 在电极和电解液界面上，离子跟电子由于静电作用形成定向排布的双电层，在充电的过程中，通过外接电源的作用，电子从负极迁移到正极；在电解液内部由于静电作用，阳离子向负极移动，而阴离子向正极移动，形成定向排布的双电层电容，能量被储存。放电过程则是充电过程的逆过程。双电层电容器是物理过程所以有着循环性能好，但存在着电容较低的缺点。 ②赝电容工作原理 赝电容器储能机制与双电层电容器的储能机理不同，它是电极表面的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸/脱附或氧化还原反应来储存能量。赝电容电极材料的储能方式主要有以下三种反应类型：离子的可逆吸附；电解液离子参与的氧化还原反应；导电聚合物可逆的电化学掺杂和去掺杂。 3.超级电容器的优点 （1）高比电容：超级电容器电容量是传统电容器的2000-6000倍。 （2）高功率密度：可达300W/kg～5000W/kg。 （3）充电速度快：超级电容器在可在10s-10min充满电容器。 （4）工作温度范围广：超级电容器的典型工作温度范围从-40至70℃。 （5）可循环使用：寿命长，几乎可无限循环使用。（6）环境友好：绿色环保，其材料无毒、安全性高。 4.超级电容器的电极材料 (1)碳基材料 碳基材料由于成本低、原材料来源广、导电性能优异、环境友好及循环稳定性好等优点而被广泛应用于超级电容器
电容器电极片的制备 (1)称量一定量的活性物质（约30mg）置于50ml的烧杯中，按照8:1:1的比例 换算炭黑和黏结剂的质量 (2)称量计算质量的炭黑加入烧杯中，然后加入少量的乙醇，加入粘结剂 (3)稍微摇晃烧杯使混合物混合均匀，用膜将烧杯封口，然后超声10分钟左右， 使其分散更加均匀 (4)撕掉封口膜，放入鼓风干燥箱中800C条件下烘干,大约20分钟 (5)烘干后将电极材料取出放入铜片上，滴少量乙醇，折叠为块状（橡皮泥软度） (6)滚压压片，用最高档的压面机档，叠加五层铜片，压到很薄，最好没有破损 (7)将薄片转移到滤纸上，用打孔器打孔制成小圆片 (8)将小圆片放入真空干燥箱1000C下烘干12个小时 (9)取出小圆片，立即称量，编号记录 (10)将小圆片置于泡沫镍圆片上，镍片长条覆盖作为引线（极耳），上面再覆盖 一层小圆片，手压使其成三明治的 (11)滚压压片，贴标签表明质量及相关信息 (12)将电极片浸泡在电解液中，真空浸泡12个小时，使电解液充分与电极材料 接触，挤走气泡。 (13)三电极体系中测量各种电化学性能 (14)电化学测试(红色夹对电极，绿色工作电极，黄色参比电极) 相关说明： (1)活性材料，炭黑等应该事先研磨成很细的粉末，越细越容易压片 (2)一些材料如果难以用压面机压片成型，可以使用玻璃棒手工压片 (3)关于是否加炭黑的问题，可以查阅文献自己选择，炭黑是为了增加导电性 (4)天平称量过程中不要按压桌面，禁止风吹等造成天平不准的一切可能性 (5)电化学性能测量过程中，特别是双电层电容性质的材料，如石墨烯没有必要 一直换电解液，影响不大 (6)炭材料的cv扫描电压区间一般是-1~0V,分别测量在2、5、10、20、30、50、 100mv/s的速率下测量，期间没有必要换电极片（个人认为衰减大的要换）(7)恒流充放电测试中一般测试100、200、500mA/g和1、2、4、6、8、10A/g 电流密度下的性能，一般是先放电 (8)交流阻抗测量中要先查看开路电压（控制-开路电压），填写到初始电平/开路 电压一栏；高频100000，低频0.01，振幅0.005