超级电容器的研究进展及发展趋势

方晓佳，蔡英鹏，陈锦活

（广东海洋大学机械与动力工程学院，广东 湛江 524000）

超级电容器是一种兼具锂离子电池及传统储能电容器两大特点的新型储能电子器件，具有较高的比容量，通过极化电解质从而储存大量的能量。超级电容器还具备了锂离子动力电池及传统储能电容器两大主要优点，即快捷地充放电方式及高效的储能方式。按照工作原理不同分为3 类：双电层超级电容器、法拉第赝电容超级电容器和混合超级电容器[1]。

1 电极材料的类型及应用

决定超级电容器产品质量和使用性能的几个关键因素之一是电极材料。电极材料包括碳基聚合材料、金属化合物、金属有机框架及其导电金属聚合物[2]等，不同原理的超级电容器采用不同类型的电极材料。具有高比表面积、良好的导电性等是碳基材料的优点，在实际应用中表现出高功率密度和优异的循环稳定性，但比电容相对较低[3]；金属氧化物和导电聚合物材料具有较高的比电容，但是因为导电性差，所以循环稳定性和倍率性能较差[1]。近年来研究的一个热点是碳基材料与金属氧化物和导电型聚合物材料相结合成复合材料，研究出高比率电容、高功率密度、优异的循环稳定性和高能量密度的超级电容器材料。

1.1 碳纳米管

碳纳米管属于一种单壁或多壁薄聚碳的高纳米无缝中空管，由一个具有单层或多壁的石墨烯薄片经过卷曲制作而成[4]。研究表明，采用等离子体化学沉积技术在碳布上沉积碳纳米管，在电解液为0.5 mol/L的硫酸钠测试中，其比电容能够达到210 F/g，且循环稳定性良好[5]，该数据表明碳纳米管具有优异的循环稳定性，其微观结构如图1 所示。另外，碳纳米管中掺杂导电聚合物、在碳纳米管与石墨烯或活性炭复合后，改变其结构等方面均能显著提高电容器的比容量，碳纳米管复合材料和结构优化都是研究电极材料的热点。

图1 碳纳米管的微观结构

1.2 石墨烯

石墨烯材料作为一种极性电极化学材料，它们具有很高的比表面积、非常宽的电位窗口[6]、优良的晶体导电化学性能和稳定的气体化学性能。研究结果表明，如果石墨烯的表面积利用率达到100%，其比容量可以高达550 F/g，但是在实际应用中，石墨烯的化学稳定性导致难以被电解液浸润，石墨烯的层与层之间会堆叠和团聚，导致表面积利用率下降，比电容也因此下降[7]。通过对石墨烯进行改性，如掺杂杂原子，提高石墨烯的湿润度[8]，石墨烯结构如图2 所示。将二维结构设计程成三维结构，防止石墨烯层间堆积，提高表面积利用率。制备石墨烯掺杂氮作为电极材料，利用氧化石墨热处理与氨基对苯二甲酸对石墨烯材料进行处理，其比电容达到210 F/g，且循环稳定性表现优异[9]。

图2 石墨烯的结构

1.3 复合材料

碳基材料作为电极材料单独使用具有很大的局限性，不能显著提高电容器的性能，所以近年来研究的热点是复合材料，各种材料经过复合，得到性能更加优异的电极材料。研究表明，石墨烯和碳纳米管组成的“三明治”结构（上下两层石墨烯中间为碳纳米管），如图3所示。其表面积达到612 m2/g，比电容为386 F/g[10]。多种研究表明材料复合可以显著提高电极材料的比表面积，从而提高电容器的比容量，具有巨大的开发潜力，在未来，复合材料也将是电容器电极材料的研究重点。

图3 “三明治”结构[11]

2 复合电极材料展望

当前对超级电容器电极复合物和电极导体材料的应用研究重点集中在复合材料。由于多层石墨烯易发生团聚，导致其表面积不能得到充分利用，在两层石墨烯之间掺杂碳纳米管有序地垂向排列，可以有效解决石墨烯团聚的问题，同时还添加碳纳米管作为电极材料，大大提高两层石墨烯与其他电极材料之间的比表面积。

石墨烯表面活化，增加石墨烯的湿润性，改善石墨烯的化学性能。但是碳纳米管比表面积较小，进行表面修饰如表面进行微柱排列，掺杂导电聚合物或金属氧化物，解决表面积较小的问题。多种合成材料可以进行高能复合，制成一种新型复合石墨烯-碳纳米管-金属导电氧化物/金属导电导体聚合物等高能复合活性电极合成材料，将多种材料的优点进行整合，不仅是利用双电层理论储存电荷，同时引入法拉第赝电容成分，利用法拉第赝电容原理储存电荷[13]将会得到比电容更高、能量密度更大的超级电容器。

3 结束语

作为一种新型的存储式超级电容储能器件，超级电容器在正常工作时分别具有快速充放电、大功率、大电流密度、高放电、超长使用寿命以及完全免维修、环境友好等诸多优势。超级电容器受到了越来越多学者的重视，并应用于诸多领域，但是超级电容器的革命才刚刚开始，如何研发出性能更优异的电极材料和更高效的超级电容器，还有很长的路要走。在未来，超级电容器将覆盖更多的领域，成为主流的储能器件。