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高性能電容器電極材料有哪些
發布時間：2023-02-14 瀏覽量：2597
高性能電容器電極材料是電化學儲能研究的前沿課題，其研制既要強調在“介觀-納米”范圍內對材料的織構和晶相結構進行調控合成以獲取高的儲電能力，還要兼顧器件化對材料進行“宏觀-微觀-納米”跨尺度制備的迫切需求。近年來，圍繞超級電容器電極材料的跨尺度制備的研究漸趨活躍。
在炭布、金屬片、紙張和塑料基底上構建的超級電容器可廣泛用作便攜式和可穿戴式儲能元件。為了進一步提高其電容量，同時減小其尺寸，人們陸續研制了纖維和電纜式超級電容器。Wang 等設計制備了基于NiCo2O4納米同軸纖維的超級電容器，該電容器在0.08 mA時，體積電容高達 10.3 F/cm3。
類似的CuCo2O4和ZnCo2O4超級電容器在30mV/s時，電容分別高達 1.09 F/g和10.9 F/g。盡管超級電容器不斷取得突破，但是仍然需要進一步改善其性能以便適合實際應用。例如，大多數超級電容器都基于金屬絲集電器，然而其表面光滑、表面積小、孔隙率低，致使集電器基底與活性材料之間產生大的接觸電阻。因此，為了提高電荷傳輸效率，應降低內部電阻，并增加活性表面積。Ramadoss 等將NiCo2O4生長在3D-Ni/Ni-wire整裝結構基體上，體現出優異的電容性能。
3D-Ni/Ni-wire集電器具有多孔、多活性位點的樹突狀導電網絡和短的擴散路徑，可在氫氣氣泡存在的模板中通過電沉積法制備。隨后，雙金屬(Ni和Co)氫氧化物通過電沉積法負載于3D-Ni/Ni-wire 上。最后，所積的雙金屬氫氧化物經過 300℃焙燒生成NiCo2O4尖晶石涂層。NiCo2O4/3D-Ni/Niwire 具有優異的體積電容(29.7 F/m3)以及良好的充放電速率。此外，還具有優異的循環穩定性 (5000 次后仍維持 100%)及高能量密度(2.18 w·h/kg)和高功率密度 (21.6 W/kg)。
以薄層金屬 Cu和Ni纖維為基底，Zhu 等制備了薄層Zn/Cu- 纖維和 NiO/Ni- 纖維電池電極，并分別組裝了 Ni-Zn 和 Ni-H2電池，新電極可顯著提高電池能量密度和充放電速率;Zhu 等還制備了整裝金屬Ni 纖維結構化炭顆粒復合電極，并用作 Zn- 空電池的超薄陰極電極，具有優于常規電極材料的性能。碳納米管(CNTs)和碳氣凝膠(CAG)是極富應用前景的納米碳基材料，但用于電池和超級電容器時遇到成型問題。傳統高分子膠黏劑的使用不僅會犧牲電極材料的比表面積、破壞碳材料的結構特性，還會導致很高的電荷傳導阻力和離子傳遞阻力因此無黏結劑的跨尺度制備引起了人們的關注。
基于整裝燒結金屬 Ni纖維結構所提供的薄層大面積、大空隙率、開放網絡、獨特的形狀因子和高化學活性等特性，Jiang 等通過催化化學氣相沉積法在 Ni纖維表面生長 CNTs，成功制備了“Ni纖維-CNTs”復合結構材料(直徑8.0 cm)，整體結構保持完好且 CNTs 分布均勻,CNTs負載量高達60%以上。該復合材料的電荷傳導阻力和離子傳遞阻力均非常小，在5mol/L KOH水溶液電解質中測得的比電容可達47 F/g。利用以上所得“Ni纖維-CNTs”復合結構材料為基底，Fang 等通過再組裝CAG的方法制備了“宏觀-微觀-納米”跨尺度自支撐碳納米管 - 碳氣凝膠復合電極材料，其中金屬纖維網絡為集電極、CNTs 為納米導線、CAG介孔為離子存儲庫;在5 mol/L KOH水溶液電解質中，該材料具有優良的導電性、高的比電容和很好的瞬間充放電能力。
Li等基于薄層大面積三維開放網絡的燒結金屬纖維結構，通過催化化學氣相沉積(CCVD)在金屬纖維表面“培植”碳納米管(CNTs)，再借助溶膠涂層組裝聚苯胺(PANI)的方法，成功制備了以金屬纖維網絡為集電極，CNTs 為納米導線PANI為化學儲能活性物質，尺度跨越宏觀、介觀和納米的自支撐三維 CNTs-PANI復合電極材料。以分子量 10000的 PANI單體制備的PANI、CNTs和Ni-fber 質量分數分別為 28%、28%和44%的復合電極材料，具有最佳的電化學性質和化學電容儲能性能，以及良好的充放電循環穩定性。分析結果表明，PANI與CNTs 間的π-π相互堆積作用產生的電子相互作用不僅促進了 PANI的電化學活性，而且可能對 PANI具有穩定作用，進而改善了充放電循環穩定性。
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