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物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (1): 130-148    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201609012
综述     
基于碳材料的超级电容器电极材料的研究
李雪芹1,2,常琳2,赵慎龙2,郝昌龙2,陆晨光2,*(),朱以华1,*(),唐智勇2,*()
1 华东理工大学材料科学与工程学院,超细材料制备与应用教育部重点实验室,上海200237
2 国家纳米科学中心,纳米系统与多级次制造重点实验室,北京100190
Research on Carbon-Based Electrode Materials for Supercapacitors
Xue-Qin LI1,2,Lin CHANG2,Shen-Long ZHAO2,Chang-Long HAO2,Chen-Guang LU2,*(),Yi-Hua ZHU1,*(),Zhi-Yong TANG2,*()
1 Key Laboratory for Ultrafine Materials of Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, P. R. China
2 CAS Key Laboratory for Nanosystem and Hierarchy Fabrication, National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100190, P. R. China
 全文: PDF(2582 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

超级电容器作为一种新型的能源存储装置,因为其比容量大、充放电速度快、循环寿命长等优点,在储能领域引起了极为广泛的关注。电极材料是决定超级电容器性能的核心因素,其中,常用的超级电容器电极材料主要有如下三类:碳基材料、金属氧化物及氢氧化物材料和导电聚合物材料。本文综述了超级电容器的工作原理并详细介绍了基于碳材料及其二元、三元复合体系的电极材料的研究进展。

关键词: 超级电容器能量存储机理碳基材料电极材料    
Abstract:

As a new type of energy storage device, supercapacitors with high specific capacitance, fast charge and discharge, and long cycle life have attracted significant attention in the energy storage field. Electrode materials are a crucial factor defining the electrochemical performance of supercapacitors. The standard supercapacitor electrode materials used can be classified into three types:carbon-based materials, metal oxides and hydroxide materials, and conductive polymers. This review introduces the principles of supercapacitors and summarizes recent research progress of carbon-based electrode materials, including pure carbon materials, and the binary and ternary complex materials with carbon.

Key words: Supercapacitor    Energy storage mechanism    Carbon material    Electrode material
收稿日期: 2016-06-13 出版日期: 2016-09-01
中图分类号:  O643  
基金资助: 国家重点基础研究发展规划(973)(2014CB931801);国家自然科学基金(21676093);国家自然科学基金(21471056);国家自然科学基金(21473044);国家自然科学基金(21475029);国家自然科学基金(91427302);中国科学院科研装备研制项目(YZ201311);CAS-CSIRO合作研究项目(GJHZ1503);中国科学院战略性先导科技专项(XDA09040100)
通讯作者: 陆晨光,朱以华,唐智勇     E-mail: LUCG@nanoctr.cn.;yhzhu@ecust.edu.cn;zytang@nanoctr.cn
作者简介: 李雪芹,本科毕业于青岛大学, 2014年考入华东理工大学材料科学与工程学院攻读硕士学位,师从朱以华教授,期间于2015年7月至今,在国家纳米科学中心进行联合培养。主要研究碳基材料在超级电容器中的应用|常琳,工程师,硕士毕业于北京工业大学材料科学与工程专业,研究方向材料学。2010年7月硕士毕业后加入国家纳米科学中心,主要负责X射线衍射仪维护使用、技术培训等工作|赵慎龙,于2011年获得山东大学理学学士学位。2013年在哈尔滨工业大学获得理学硕士学位。2013年至今,在哈尔滨工业大学攻读博士学位,师从唐智勇教授。主要研究金属有机配位化合物材料的制备及其在能源转化和电催化领域的应用|郝昌龙,于2015年从江南大学获得博士学位,目前在国家纳米科学中心进行博士后科研工作,师从唐智勇教授。研究工作主要集中于开发低成本、新型高效的电化学催化剂用于各种电化学过程,例如超级电容器、CO2还原等|陆晨光,本科毕业于北京大学化学与分子工程学院,美国Duke大学化学系理学博士。之后在美国哥伦比亚大学应用物理系做博士后研究员与助理研究员。2013年8月至今,在国家纳米科学中心任副研究员|朱以华,本科毕业于南京大学,于华东理工大学获得硕士和博士学位。现在华东理工大学超细材料制备与应用教育部重点实验室任教授、博士生导师, 2015年当选英国皇家化学会会士。主要研究纳米材料的可控制备及在新能源中的应用|唐智勇,理学博士,研究员,国家杰出青年科学基金获得者,科技部纳米重大研究计划项目首席科学家,中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室主任。研究领域为纳米功能材料在环境和能源领域的应用
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李雪芹
常琳
赵慎龙
郝昌龙
陆晨光
朱以华
唐智勇

引用本文:

李雪芹,常琳,赵慎龙,郝昌龙,陆晨光,朱以华,唐智勇. 基于碳材料的超级电容器电极材料的研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 130-148.

Xue-Qin LI,Lin CHANG,Shen-Long ZHAO,Chang-Long HAO,Chen-Guang LU,Yi-Hua ZHU,Zhi-Yong TANG. Research on Carbon-Based Electrode Materials for Supercapacitors. Acta Physico-Chimica Sinca, 2017, 33(1): 130-148.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201609012        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I1/130

图1  不同电化学能量储存装置的Ragone曲线图9
图2  两种不同的电荷存储机理示意图11
图3  文献报道的EDLC和赝电容器电极材料的电容性能22
图4  MOFs通过两步煅烧法和一步直接煅烧法制备纳米多孔材料示意图49
图5  MOF-5与FA碳化制备多孔碳的示意图47
图6  ZIF-8@ZIF-67的制备示意图55
图7  碳纳米管在超级电容器电极材料中的应用
图8  GN-GH的超级电容器性能81
图9  FGH柔性薄膜电极82
图10  氮掺杂的有序介孔石墨烯及其相关材料的结构图83
图11  泡沫镍上直接生长CNTs@MnO2纳米复合材料92, 93
图12  不同结构的GO/MnO2复合材料的SEM图
图13  三维的石墨烯气凝胶-氧化钛纳米粒子复合物99
图14  MoS2/PPy-n纳米复合材料104
图15  碳材料/金属氧化物/导电聚合物三元复合电极材料的结构示意图
图16  石墨烯/MnO2/CNTs三元复合材料制备薄膜电极17
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