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一文读懂超级电容器是什么?

发布时间:2021-07-01 10:30:53 作者:张信哲代言欧宝app 来源:欧宝娱乐平台全站

  器和可充电电池之间的一种新式抢手储能设备,以满意二十一世纪能量存储体系不断添加的需求。现在,

  表1为超级电容器、静电电容器以及电池归纳功用比照,从表中可得出结论是超级电容器具有充放电时刻短、循环安稳性好等长处。在往后开展中超级电容器或许与电池具有等价的重要性。

  一般来说,超级电容器按储能机理可分为两种:一种是依据电极/电解液界面上电荷别离所产生的双电层电容器(EDLC),另一种是电极资料的氧化复原反响产生的法拉第赝电容器(ECPs)。

  图1为双电层电容器作业原理图,电极首要由大比外表积的炭基资料组成,例如活性炭、碳纳米管、石墨烯等;EDLC的比电容与有用外表积相关。图2为赝电容器作业原理图,赝电容器的电极资料包含过渡金属氧化物和导电聚合物。电化学电容器中两种储能机理或许一起存在,但在电极面积相同的情况下,后者的比电容能够到达前者的10倍左右。

  近年来,多孔电极资料因高比外表积和孔隙率而备受重视,高比外表积有利于进步活性电极资料的运用率,孔隙的存在促进了离子涣散传输,然后进步电化学功用。多年来,已开宣布许多新的电极资料以处理各种问题:(i)活性部位的高比外表积促进了充电容量;(ii)规划新式纳米结构能够缩短涣散途径并且在电极/电解质界面上供给最小化对质量传递的涣散阻力;(iii)分级孔隙度(微孔、中孔和大孔)能够供给快速的离子传输;(iv)引进缺点和杂原子和/或官能团能够添加可用的活性位点并有用地调理电化学特征。毫无疑问,上述特征的多重协同效应将进步超级电容器资料在储能中的相关功用运用。

  一般,高比外表积和孔隙率是炭基资料电极取得高比电容的必要要素。虽然经过挑选适宜的前驱体和活化办法现已取得了具有高比外表积和孔隙率的超性炭,可是孔结构是不可控的,并且孔首要由微孔(

  模板法制备活性炭中孔结构(2~50nm)已被广泛运用,这首要是因为外表积一般在800~1500m2/g的范围内,并且在模板化的中孔碳中有序中孔通道促进资猜中的电解质离子涣散,具有相对低的微孔率。值得注意的是,Chmiola等发现,当运用孔径小于1nm的碳化物衍生碳作为有机电解质中超级电容器的电极时电容会添加。Zhao等选用模板法和化学活化法相结合制备了中孔微孔碳,组成的中孔微孔碳包含经过纤维素再生和二氧化硅模板的辅佐产生的中孔,以及经过碳的化学活化法产生的微孔。这种共同的多孔结构使得组成的中孔微孔碳成为用于储能的抱负电极活性资料,在中孔碳电极上显现出高比电容和高能量密度。因而,运用可再生天然资源制作具有高能量储能的多孔碳能够成为下降超级电容器本钱的有用途径。

  虽然大多数多孔碳纳米资料表现出较大的电容,但因为导电通路或含氧官能团的不相容性,导电率跟着孔隙率的添加而下降,在很大程度上约束了功率容量。碳纳米管(CNT)的发现极大地推动了碳资料的科学。图3为碳纳米管结构示意图。碳纳米管分为单壁碳纳米管(SWNT)以及多壁碳纳米管(MWNT),这两种碳纳米管作为储能资料都已被广泛研讨。MWNT因其具有优异的高弹性模量及机械功用,在柔性超级电容器中也扮演重要人物。CNT 因为其共同的孔结构、优异的电化学功用、杰出的机械功用、热安稳性和较高的比外表积被认为是高功率电极资料。

  石墨烯是sp2杂化的碳资料的二维极限方式,制备办法有水热法、溶胶凝胶法、微波辅佐法等多种。石墨烯作为超级电容器电极资料首要有3大优势:一是石墨烯具有优异的比外表积(2630m2/g),能够取得较大的比电容和能量存储密度;第二,石墨烯的层状结构有利于电解液的滋润和离子的吸附/脱附,片层搭接构成的安稳孔结构,能增大电容有用运用的双电层面积;第三是石墨烯片层优异的导电性和导热性,能够有用下降电容器的内电阻,然后进步电容器的充放电速率和功率密度。但其实践可到达的比电容远低于理论值,这是因为其在制备进程中石墨烯片层极易堆叠产生聚会导致比外表积运用率不高。研讨发现,能够经过制备多孔结构石墨烯来进步其电化学功用。

  多孔石墨烯资料因为其高比外表积和优异机械功用等而引起了学界术重视。多孔结构有利于离子快速传输,并促进电解质和石墨烯资料之间的充沛触摸。Meng等以碳酸钙(CaCO3)为模板制备了多孔石墨烯膜(3D-RGO),3D-RGO具有互相贯穿的多孔结构和柔软性,这种多孔结构有利于电解质离子在石墨烯外表的快速移动,然后显现出较好的充-放电倍率功用。Jin等经过简洁的水凝胶行为制备了用于高能量密度超级电容器的多孔自立式氮掺杂石墨烯(NG)薄膜。氮掺杂结构保证了薄膜满足的赝电容和导电性,而大孔结构有利于离子快速吸附然后增强了薄膜的机械功用。NG 膜的形状显现在图4中。从SEM图画中,能够清楚地观察到二维石墨烯片互相互连构成具有扩展的层间空间的3D结构多孔结构。当拼装在对称的双电极超级电容器中时,不运用任何导电剂或粘合剂。独立的NG 薄膜显现出依据整个电极的455.4F/g的比电容,而在5000次循环后没有电容丢失。

  多孔石墨烯与其他多孔碳资料比较有以下优势:首要,石墨烯的高机械强度可增强多孔结构的安稳性,然后避免多孔结构的缩短或崩塌等变形问题;其次,石墨烯杰出的化学安稳性和热安稳性使这种多孔资料能够接受苛刻及恶劣的环境。第三,这些多孔资猜中的面内孔和层间孔所构成的通道有利于离子、分子及电解液的快速涣散,这就使得石墨烯的优异导电性成为用于在多孔结构内快速运送电荷载体的抱负集电器。

  电化学活性导电聚合物是用于比如电池和超级电容器的能量存储设备中的一类重要资料,具有较高的电导率、光导电性质、非线性光学性质和磁功用等;它的柔韧性好、出产本钱低、能效高,还具有大的比外表积、三维(3D)多孔微结构、高电容能量密度等长处。与活性物质偶联,能够在必定范围内可逆地氧化或复原。导电聚合物的存储机理是:产生电极反响时,聚合物产生快速可逆的掺杂和去掺杂的氧化复原反响,随同离子的嵌入/脱嵌聚合物主链以坚持电中性,一起贮存电荷。1977年白川英树组成出导电性聚乙炔,使得导电聚合物呈现在科研视界中,随后共轭导电聚合物(如:聚噬吩、聚吡咯和聚苯胺)因其表现出氧化/复原功用,一起具有高比外表积,得到了越来越广泛的重视。导电聚合物及其复合资料首要运用于二次电池和电容器的电极资料、固体电池、半导体电子元件以及功用别离膜等方面。

  聚苯胺(PANI)因其具有相对高的导电性、杰出的环境安稳性、低本钱和易于组成等长处成为运用最广泛的共轭聚合物之一。PANI能够运用不同的办法组成,包含氧化聚合、电化学堆积、酶促聚合和光聚合等。此外,运用原位聚合的办法,PANI能够很容易地与无机资料结合,或与混合物以共价键的方式结组成纳米复合资料,并具有进一步改善功用的特性。PANI基资料已被运用在电化学设备中的有源元件,如传感器、电致变色设备和不同类型的储能设备,因为其高比电容、低本钱等优势,依据PANI的氧化复原资料现已显现出在超级电容器运用方面的巨大远景。

  Liu等经过原位聚合制备了多孔PANI。图5所示,PANI与多孔PANI在循环伏安图和充放电曲线的比照中能够看出:因为其多孔结构,多孔PANI在充电-放电循环期间表现出高运用率;这种多孔PANI还具有高循环安稳性和倍率功用;该多孔PANI显现出比非多孔PANI高得多的超级电容功用,这可归因于多孔PANI中构成的大外表积和孔隙率,因而导致活性资料的高运用率及功用方面的优势。PANI纳米线阵列的比电容在三电极体系中测得高达950F/g。当在具有氧化石墨烯(GO)纳米片的复合资猜中时,这些电极资料表现出碳质纳米资料和导电聚合物的协同效应。

  Li等制备了具有互连多孔结构和高柔韧性的多孔石墨烯薄膜(3D-RGO),在GO 涣散液中原位构成的CaCO3颗粒用作模板以促进多孔结构的构成。互连孔的构成有利于电解质离子进入石墨烯薄膜的内外表,也易于与其他功用资料复合。进一步生成具有PANI纳米线D-RGO/PANI)的分级复合薄膜,以结合两种资料的长处。图6是3D-RGO 和3D-RGO/PANI薄膜的制备示意图。当用作超级电容器的电极资料时,因为PANI的赝电容,3D-RGO/PANI薄膜会表现出比3D-RGO 更高的比电容。

  聚吡咯(PPy)具有易聚合、导电性好和理论比电容高级长处,已被用于与碳资料或氧化物资料复合。现在,具有高导电性和比外表积的聚吡咯衍生碳已广泛用于超级电容器和锂离子电池。Shi等经过调理吡咯(py)与植酸(pA)的份额,并运用界面聚合办法组成了纳米结构的导电聚吡咯(PPy)水凝胶。共同的三维多孔纳米结构由互相连接的聚合物纳米球构成,赋予PPy水凝胶杰出的机械功用。作为超级电容器电极,比电容为~380F/g,具有优异的倍率功用。

  Wang等经过简洁的办法制备了一种多孔氮掺杂碳纳米纤维/聚吡咯复合资料。图7为氮掺杂碳纳米纤维/聚吡咯(CNF/PPy)的组成示意图。这种共同的组成和结构特征赋氮掺杂碳纳米纤维/聚吡咯复合资料杰出的电容功用。结果表明,这种资料或许是高功用超级电容器电极资料的有期望的候选者之一,对这种氮掺杂碳纳米纤维/聚吡咯的外表积和组成的进一步规划,可为高质量和牢靠的电极资料供给新的或许性。

  二元过渡金属氧化物具有更高的可逆容量,更好的结构安稳性和电子传导才能,已被广泛研讨并运用为超级电容器的新式电极资料之中。为了取得更好的电化学功用,过渡金属氧化物与炭基资料、金属氢氧化物等进行复合现已成为近几年研讨的要点方向。

  氧化铁(Fe2O3)作为最重要的过渡金属氧化物之一,因为其质料丰厚、低本钱、环保和较好电化学功用,被认为是一种有出路的超级电容器电极资料。组成Fe2O3 电极资料有几种简略而有用的办法:如水热法、溶剂热法、喷雾堆积法和电堆积法等。在Fe2O3 作为高功用赝电容资料的实践运用中,首要会集于操控Fe2O3 的纳米结构以改善电化学功用。可是,因为Fe2O3的电导率较低(10-10S/cm),使其高速充电/放电功用遭到显着约束。为了处理这个问题,现已对用导电资料如石墨烯制备Fe2O3 基复合资料进行深入研讨。因为Fe2O3和石墨烯之间的正协同效果,Fe2O3-石墨烯复合物作为电极引起科学家们的重视。

  Sun等运用褶皱和折叠的石墨烯纳米片来制备石墨烯纳米片负载的Fe2O3/GNS。Fe2O3在0.2A/g的电流密度下比电容为为53.5F/g,负载后的Fe2O3/GNS在相同的电流密度下比电容添加到143F/g。Huang等运用石墨烯包裹的Fe2O3纳米线通明薄膜代替石墨烯作为载体,规划通明和柔性超级电容器电极,并显现出杰出的通明性和大面积的多孔结构。因为其电化学安稳性,Fe2O3膜被包裹在石墨烯片层中起到了增强电子传输和电荷存储才能的效果。因而,在2M KOH条件下,Fe2O3/石墨烯电极比Fe2O3电极(在50mV/s下1.29mF/cm2)取得了更高的比电容(在50mV/s下为5mF/cm2),循环安稳性也显着进步,在第10000次循环时坚持92.3%的初始电容。这愈加阐明过渡金属氧化物Fe2O3与炭基资料因其复合的正协同效果,使得比电容、循环安稳性等功用愈加契合超级电容器的电极资料需求。

  电活性二氧化锰(MnO2)资料的安稳结构关于开发具有杰出循环安稳性的高功用超级电容器的超卓电极至关重要。多孔MnO2相同具有低本钱、高理论比电容和环保等特色。填充多孔碳纳米纤维的MnO2纳米片在0.50A/g时显现出421.5F/g的比电容;运用静电共沉淀复原的氧化石墨烯包裹针状MnO2纳米颗粒,在1.0 A/g时比电容为375.0F/g;花状MnO2电堆积在石墨烯基底上,比电容为328.0F/g。Li等用硅藻土模板辅佐水热法制备了一种三维空心MnO2。MnO2硅藻复制品在0.5A/g时显现出高比容量高达371.2F/g,具有优异的循环安稳性和杰出的倍率功用。能够看出,不同制备办法可取得不同结构及描摹MnO2,一起导致不同的比电容值。

  MnO2与导电聚合物或炭基资料结合,以实现理论比电容和高功率运用。例如,Cakici等制备了碳纤维织物涂层的MnO2复合资料,能够减轻体积改变的影响,进步电导率。Hao等报导了一种三元杂化球形粉末作为超级电容器电极资料,中心为氢氧化镍-MnO2复原氧化石墨烯(Ni(OH)2-MnO2-RGO)。图8为Ni(OH)2-MnO2-RGO杂化球的或许构成原理及混合球中单个纳米片结构示意图。丰厚的多孔纳米结构、高比外表积、清晰的球形形状,以及Ni(OH)2、MnO2和RGO的协同效应,所得Ni(OH)2-MnO2-RGO的电极三元杂化球作为活性资料,比电容(1985F/g)和能量密度(54.0 Wh/kg)显着增强。此外,依据Ni(OH)2-MnO2-RGO杂化球的不对称超级电容器也显现出令人满意的能量密度和电化学循环安稳性。

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