柔性超级电容器电极材料与器件研究进展

超级电容器,也称电化学电容器,它具有比锂离子电池更高的功率密度和更长的循环寿命,与此同时,其能量密度也高于传统的电介质电容器,因此成为了一类具有很大应用前景的能量储存设备。随着人们对智能电子设备性能要求的提高,各类柔性可穿戴电子设备相继出现,柔性超级电容器作为一类便携式能量储存设备也受到了许多研究者的关注。在持续的研究中,二维平面结构的柔性超级电容器得到较大发展并日益成熟,与此同时,随着对柔性电子设备可穿戴性能要求的提高,一维纤维结构的柔性超级电容器应运而生,并且得到了初步发展。本文首先介绍了超级电容器的储能原理和重要性能的评估方法;接着,重点概述了二维平面结构和一维纤维结构两类柔性超级电容器器件结构和电极材料的研究进展;最后,总结了两类柔性超级电容器仍然存在并亟待解决的问题以及未来发展所面临的关键技术挑战,期望能为柔性超级电容器的研究提供参考和借鉴。     

一种高容量的层状Co-MOF基超级电容器电极材料

通过简单的溶剂热反应合成了一种钴基层状MOF（[Co（4,4''-bpy）（tfbdc）（H₂O）₂],Co-BTH,4,4''-bpy=4,4''-联吡啶,H₂tfbdc=四氟对苯二甲酸）,并考察了其作为超级电容器电极材料的性能。研究结果表明：Co-BTH电极具有良好的赝电容性能,包含高比电容和较好的倍率性能。在1 A·g^-1电流密度下和1 mol·L^-1 KOH溶液中,其比电容最大可达2 316 F·g^-1。在2 A·g^-1的电流密度下,循环1 000次后,电极的比电容仍然还有847 F·g^-1。良好的赝电容性能与Co-BTH的层状结构和小尺寸的纳米片有关。     

高容量超级电容器电极材料的设计与制备

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。     

石墨烯基电极材料在柔性全固态超级电容器中的研究进展

随着电子产品向着智能化、微型化和便携化的方向发展,亟需发展与之匹配的高效柔性储能器件。 超级电容器由于功率密度高、循环寿命长、安全无污染、易于实现其柔性化等特点,近年来引起人们的广泛关注。 石墨烯材料具有极高的比表面积、优异的电化学性能和良好的机械稳定性,被广泛作为柔性全固态超级电容器的电极材料。 本文简要介绍了石墨烯电极材料的制备方法,并总结了其在柔性全固态超级电容器中的最新研究进展,探讨了其发展前景和面临的挑战。     

空心海胆状二氧化锰的制备及其在超级电容器中的应用

采用简单的一步水热法制备了空心海胆状二氧化锰,无需任何模板剂和表面活性剂。该材料具有3D的纳米结构,结构稳定,并由单个的二氧化锰空心管自组装而成。该纳米材料的特殊结构为其提供了高的比电容。在1mol·L-1硫酸钠电解液中,扫速为1mV·s-1的条件下,该材料的比电容值为254.6F·g-1。在电流密度为1.0A·g-1的条件下,充放电循环1000次后比电容值仍保持为初始值的97.5%。表明该材料具有良好的电容性能和稳定性,其具备用作高性能超级电容器的电极材料的潜能。     

空心海胆状二氧化锰的制备及其在超级电容器中的应用

采用简单的一步水热法制备了空心海胆状二氧化锰,无需任何模板剂和表面活性剂。该材料具有3D的纳米结构,结构稳定,并由单个的二氧化锰空心管自组装而成。该纳米材料的特殊结构为其提供了高的比电容。在1mol·L^-1硫酸钠电解液中,扫速为1mV·s^-1的条件下,该材料的比电容值为254.6F·g^-1。在电流密度为1.0A·g^-1的条件下,充放电循环1000次后比电容值仍保持为初始值的97.5%。表明该材料具有良好的电容性能和稳定性,其具备用作高性能超级电容器的电极材料的潜能。     

碳纳米管用作超级电容器电极材料

碳纳米管由于具有化学稳定性好、比表面积大、导电性好和密度小等优点,是很有前景的超级电容器电极材料。本文介绍了碳纳米管用作超级电容器电极材料的研究现状,总结了单纯碳纳米管电极材料和碳纳米管复合物电极材料的特点与性能,并探讨了今后碳纳米管电极材料的发展方向。     

花球状BiOBr制备及其在超级电容器中应用

本工作采用溶剂热法制备了花球状BiOBr材料,利用XRD、XPS、SEM、TEM及低温N_2吸/脱附技术研究了材料的结构与形貌。在三电极体系中系统研究了制备材料的电容性质,结果表明:在2mol·L~(-1) KOH水溶液电解质中,在-1.2～0.2 V vs.SCE电压范围内,当电流密度为1 A/g时,质量比容量高达290 C/g,是一种极具潜力的储能材料。     

花生壳制备微孔炭及其在电化学超级电容器中的应用

以未使用和使用氢氧化钠溶液处理的花生壳为碳源分别制备出微孔炭PSC-1和PSC-2.PSC-1和PSC-2的比表面积分别为552和726m2·g-1,其主要孔径都约为0.8nm.用PSC-1和PSC-2制备的电极和对称型超级电容器的循环伏安曲线均接近矩形,表明其具有良好的电容特性.在以微孔炭电极为工作电极、铂电极为对电极和银/氯化银电极为参比电极组成的三电极体系测量表明,在0.1A·g-1的电流密度下,PSC-1和PSC-2的比电容达到233和378F·g-1.经过1000次恒电流充放电循环后,在三电极体系和超级电容器中电极均表现出良好的稳定性和电容保持率.基于实验结果探讨了微孔炭的形成机理及其结构与电化学性质之间的联系.     

聚吡咯在超级电容器中的应用

聚吡咯以其制备简单、掺杂可逆、环境友好、导电率高、比电容大、具有良好的成膜性而备受关注。特别是在作为超级电容器、二次电池等换能设备电极材料领域中前景广阔。文章简略地介绍了超级电容器的双电层电容和法拉第赝电容产生的机理,概述了近年来聚吡咯与金属氧化物、炭材料等通过化学法、电化学法以及界面化学法等新型手段制备聚吡咯电极的研究进展。     

矿物材料在超级电容器电极中应用的研究进展

矿物资源是人类社会发展和国民经济建设的重要物质基础,是人类社会生产和发展的动力,矿物资源的合理利用在人类的每一次进步飞跃中起着重要意义。目前而言,在能源社会的背景下,人类对矿物资源的利用也在越来越深入。同时,在能源储存方面有着很广阔的应用前景。本文通过晶系分类法综述了各类天然矿物材料在超级电容器上的研究进展,目的是为以后对天然矿物材料在电化学领域进行深入研究奠定一个基础。对存在的问题进行了分析,为下一步的研究提出了建议。     

基于金属有机骨架衍生电极材料的制备及其超级电容器性能研究

作为超级电容器的核心组件,其电极材料的性能直接决定了整个器件的性能.为进一步促进超级电容器的发展,开发性能优异的电极材料势在必行.金属有机框架(MOF)材料是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键形成的具有有序孔隙结构的配位聚合物.因具有高的比表面积、大的孔隙率及丰富多样的结构和功能等特点,MOF及其衍生物被广泛应用于超...     

MnO2/煤基碳纳米纤维的制备及其在柔性超级电容器中的应用

采用静电纺丝技术制备了柔性煤基碳纳米纤维(CBCNFs)。利用低温等离子体技术对CBCNFs进行改性,并将改性后的CBCNFs作为还原剂与KMn O4反应,以实现Mn O2的原位还原负载制备CBCNFs/Mn O2复合材料。通过X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等手段对复合材料的结构与形貌进行了表征;另外,研究了其作为柔性超级电容器电极材料的性能。结果表明,KMn O4∶CBCNFs=2∶1(质量比)条件下制备的复合材料(CBCNFs/Mn O2-2)具有良好的电化学性能。在0.1A·g-1电流密度下,CBCNFs/Mn O2-2的比电容高达118F·g-1,为CBCNFs比电容(26F·g-1)的4.5倍,在1A·g-1电流密度下,循环1000次后比容量保持率为97%,表现出良好的循环稳定性。     

水性聚苯胺纳米线超级电容器电极材料

使用"假高稀"方法,分别以过硫酸铵、硝酸铁和三氯化铁为氧化剂,含有1个乙氧基基团的酸性磷酸酯为质子酸,经过原位聚合制备了直径分别为78～90 nm、18～30 nm和16～25 nm水分散性聚苯胺纳米线.聚苯胺膜的电导率分别为18,32和35 S cm-1,比表面积为65,70和82 m2g-1.该聚苯胺纳米线能够很好地分散在水中,是一种环境友好型超级电容器电极材料.该电极材料在1 mol L-1四乙基氟硼酸/碳酸丙烯酯非水性电解液中,在-1～1 V扫描范围内,以0.4 A g-1的放电速率下,分别得到了110,140和152 F g-1的比容,比电容与材料的比表面积和电导率有关,随着比表面积以及电导率的增大而增大.聚苯胺纳米线电极材料有较高的充放电效率(大于98%),表明了它们有很好的电化学可逆性.     

多孔氧化镍薄膜的制备及其超级电容器性能

以氟掺杂的SnO₂导电玻璃(FTO)为基底,通过水热法与高温煅烧法相结合成功制备出多孔氧化镍薄膜。 通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、晶体粉末衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等技术手段对所制备NiO进行了物相组成、表面形貌及元素价态的表征。 在6 mol/L KOH电解液中,采用循环伏安法、恒电流充放电对NiO薄膜电化学性能进行了研究。 结果表明,在电流密度为2 A/g时,NiO薄膜的比电容可达651.6 F/g,循环1000圈后其电容保留值可达71.6%,是理想的超级电容器电极材料。     

壳聚糖制备多孔炭及其在电化学超级电容器中的应用(英文)

以壳聚糖为原料在 600、700、800和900℃直接炭化制备多孔炭 C-600,C-700, C-800 和C-900,其BET比表面积分别为278、461、515和625 m2·g-1.用恒流充放电和循环伏安法表征了其电化学性能. 结果表明, 由 C-800 制备电极的循环伏安图形更接近矩形, 在恒电流充放电实验中阴极和阳极过程基本对称, 说明该电极具有较好的电容性能.在 50 mA·g-1 的电流密度下,C-600、C-700、C-800和C-900的电容分别为96、120、154 和 28 F·g-1.由 C-800 制备电极的循环充放电稳定性好, 电流密度为1 A·g-1循环1000次后电容损失小于2%,说明壳聚糖制备多孔碳具有作为超级电容器电极材料的潜在价值. 同时还考察了不同浓度的电解液对C-800电化学性质的影响,发现在KOH浓度为 30%时的电容最大.依据实验结果,对多孔炭制备及其电化学性质间的关系进行了探讨.     

电沉积法制备聚(3,4-乙烯二氧噻吩)微米管及其在柔性全固态超级电容器的应用

通过一步电沉积方法制备了不同的酸介质和表面活性剂掺杂的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)微米管电极材料,并用其来制备柔性的全固态对称超级电容器。同时探究了沉积时间对相同的酸介质和表面活性剂掺杂的PEDOT微米管电容性能的影响。最终产物的结构通过各种表征技术进行表征,包括扫描电子显微镜(SEM)和FT-IR光谱。电化学结果表明,用硫酸(H2SO4)和十二烷基硫酸钠(SDS)掺杂的PEDOT微米管的电容性能明显提升。用沉积时间为600 s的PEDOT微米管所制备的超级电容器的面积比电容在10 mV·s-1的扫速下达到113.5 mF·cm~(-2)。在不同的弯曲角度下,该固态的对称超级电容器的面积比电容仍保持初始电容值的93%,表明其具有较高的柔性。此外,在电流密度为0.6 mA·cm~(-2)的条件下经过2 000次循环后,其电容值几乎保持初始电容值的95.5%,显示出优异的循环稳定性。制备出来的柔性全固态超级电容器可点亮LED灯,表明其能够满足微电源的实际应用。     

棉布的功能化及在柔性电极中的应用

开发导电性强、柔性良好的电极基底材料对制备性能优越的柔性超级电容器具有重要意义。本研究利用聚多巴胺的黏附性和弱还原性在棉布表面形成连续分布金属银层。采用XRD,SEM对镀层的成分和形貌进行表征,对镀层的增厚率、表面方阻等进行分析,并探索了不同银溶液浓度对材料导电性和电化学性能的影响。结果表明,当银溶液浓度为15 g·L^-1时,材料方阻最小,且低于碳布电极,作为超级电容器柔性基底材料,对活性炭电极进行电化学性能测试,电流密度为1 A·g^-1时,电极的比容量达到233 F·g^-1,是普通碳布基底的1.6倍,经过1000次长循环后电极的比容量增大1.02%。     

用于柔性超级电容器的凝胶聚合物电解质膜的制备

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)提高戊二醛(GA)交联的聚乙烯醇(PVA)凝胶在1 mol/L的H2SO4溶液中的溶胀度,制备出一种用于柔性超级电容器的凝胶聚合物电解质膜,并对该电解质膜的结构、形貌、溶胀度、力学性能和电导率等进行了表征.在此基础上,组装了一种基于石墨烯电极的柔性超级电容器.结果表明:随着PVP用量的增加,膜孔数量增多且孔径增大,溶胀度增加,电导率提高,但力学强度下降.电解质膜中PVP质量分数为20％时,所组装的柔性超级电容器的比电容为111 F/g,其电化学性能的温度依赖性较低,稳定性较好.