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物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (2): 305-313    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201611012
综述     
高容量超级电容器电极材料的设计与制备
吴中1,2,张新波1,*()
1 中国科学院长春应用化学研究所,稀土国家重点实验室,长春130022
2 中国科学院大学,北京100049
Design and Preparation of Electrode Materials for Supercapacitors with High Specific Capacitance
Zhong WU1,2,Xin-Bo ZHANG1,*()
1 State Key Laboratory of Rare Earth Resource Utilization, Changchun Institute of Applied Chemistry, Changchun 130022, P. R. China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
 全文: PDF(1545 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

超级电容器寿命长,安全性高,并可以实现快速充放电,是化学电源研究的热点之一。然而,超级电容器的能量密度较低限制了其更多的应用。因此,超级电容器领域的研究关注点在如何提高超级电容器的能量密度。其中,提高比容量是提高能量密度的一种有效途径。本文通过对电极材料和电解液的优化来研究制备得到高容量超级电容器的方法。电极材料的比表面积、孔道结构和导电性对其电化学性能有着直接的影响。一方面,通过优化电极材料的孔道结构和比表面积可以增加活性位点并提高电解液离子传导率,从而得到高比电容。另一方面,电极材料导电性的提高有利于提升其电子传导率从而得到较高的比容量。本文分别对碳材料和金属氧化物/氢氧化物的优化达到了增加双电层电容和赝电容的目的。不仅如此,还可以通过在电解液中增加氧化还原电对从而得到高比电容。这一方法为高容量超级电容器的制备提供了新的思路。

关键词: 超级电容器比容量电极材料电解液双电层电容赝电容    
Abstract:

Supercapacitors (SCs) have been explored as one of the electrical sources because of their fast charge and discharge rates, good safety, and long cycle life. However, the limited energy densities of SCs hinder their further application. Thus, current research on SCs focuses on increasing their energy density. Enhancing specific capacitance is an effective way to increase energy density. In this review, we describe several approaches to achieve superior electrochemical properties by optimizing electrode materials and electrolytes. Considering electrode materials, their electrochemical performance is related to their specific surface area, pore structure, and electroconductivity. On one hand, the optimization of specific surface area and pore structure can increase their content of exposed active sites as well as electrolyte ion conductivity, which is beneficial for improved specific capacitance. On the other hand, enhanced electroconductivity leads to higher specific capacitance. The specific capacitances of electric double-layer capacitors and pseudocapacitors have been increased by optimizing carbon-based materials and metal hydroxides/oxides, respectively. Moreover, specific capacitance can be further enhanced by adding a redox mediator to the electrolyte as a pseudocapacitive source. This review offers perspectives to aid the development of next-generation supercapacitors with high specific capacitance.

Key words: Supercapacitor    Specific capacitance    Electrode material    Electrolyte    ELectrical doublelayer capacitor    Pseudocapacitor
收稿日期: 2016-07-07 出版日期: 2016-11-01
中图分类号:  O646  
基金资助: 国家自然科学基金(21422108,21271168,51472232)
通讯作者: 张新波     E-mail: xbzhang@ciac.ac.cn
作者简介: 吴中,1987年生。2010年本科毕业于安徽师范大学化学教育专业。2010年至2016年在中国科学院长春应用化学研究所无机化学专业攻读博士学位,师从张新波研究员。主要研究方向是无机纳米材料的合成及其电化学性能测试,尤其是金属氧化物材料和碳材料的制备与其在超级电容器中的应用|张新波,1978年生。1999年在长春科技大学获学士学位,2005年在中国科学院长春应用化学研究所获博士学位。2005-2009年在日本国立产业技术综合研究所从事科学研究(JSPS和NEDO博士后)。2009年12月受聘中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室研究员、博士生导师。2011年获中国科学院"百人计划"择优支持,2014年获国家自然科学基金委"优秀青年基金"支持,2015年入选国家"万人计划"青年拔尖人才支持计划。申请国家发明专利16项(6项已授权),日本专利2项。承担中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划等课题. E-mail:xbzhang@ciac.ac.cn;Tel:+86-431-85262340
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吴中
张新波

引用本文:

吴中,张新波. 高容量超级电容器电极材料的设计与制备[J]. 物理化学学报, 2017, 33(2): 305-313, 10.3866/PKU.WHXB201611012

Zhong WU,Xin-Bo ZHANG. Design and Preparation of Electrode Materials for Supercapacitors with High Specific Capacitance. Acta Phys. -Chim. Sin., 2017, 33(2): 305-313, 10.3866/PKU.WHXB201611012.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201611012        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I2/305

图1  (a)泡沫镍表面的碳凝胶的扫描电镜(SEM)图像(插入图是沉积碳凝胶前后泡沫镍的外观照片);(b)碳凝胶/泡沫镍电极在6 mol?L-1 KOH中的循环伏安曲线;(c)碳凝胶/泡沫镍电极在6 mol?L-1 KOH中的比容量曲线;(d)碳凝胶/泡沫镍电极在1 mol?L-1 TEABF4/AN中的循环伏安曲线30
图2  NOPCSs的(a) SEM和(b) TEM图像;(c) NOPCSs的N 1s的拟合曲线;(d) NOPCSs和CNS在1 mol?L-1 H2SO4电解液中的循环伏安曲线(扫描速率为20 mV?s-1);在氧化还原电解液中,(e) NOPCSs在不同扫描速率下的循环伏安曲线和(f) NOPCSs和CNS在不同扫描速率下的比容量(插入图为NOPCSs和CNS在扫描速率为20 mV?s-1时的循环伏安曲线)33
图3  (a) Ni(OH)2/石墨烯复合材料制备过程示意图;(b)前聚体、对比材料和复合材料Ni(OH)2/GS-5的XRD谱图;(c)三种不同比例的氢氧化镍与石墨烯复合物的XRD谱图;三种不同比例的复合材料(d) Ni(OH)2/GS-20、(e) Ni(OH)2/GS-5、(f) Ni(OH)2/GS-2的TEM图像38
图4  (a)复合材料Ni(OH)2/GS-5在不同的扫描速率下的循环伏安曲线图;(b)复合材料Ni(OH)2/GS-5和对比材料Ni(OH)2的容量相对于扫描速率的变化图;(c)三种不同比例的复合材料Ni(OH)2/GS-20,Ni(OH)2/GS-5,Ni(OH)2/GS-2在1 A?g-1的电流密度下的恒电流充放电曲线图;(d)三种不同比例的复合材料的容量相对于电流密度的变化图38
图5  (a)氧化镍/碳纳米管膜材料的制备过程示意图;(b) NiO/OCNT-3在不同扫描速率下的循环伏安曲线图;(c)三种不同比例的复合膜材料根据循环伏安曲线计算得到的比容量比较图;(d)三种不同比例的复合材料在1 A?g-1的电流密度下的恒电流放电曲线比较图47
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