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高性能電容器電極材料有哪些
發(fā)布時(shí)間：2023-02-14 瀏覽量：1657
高性能電容器電極材料是電化學(xué)儲(chǔ)能研究的前沿課題，其研制既要強(qiáng)調(diào)在“介觀-納米”范圍內(nèi)對(duì)材料的織構(gòu)和晶相結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控合成以獲取高的儲(chǔ)電能力，還要兼顧器件化對(duì)材料進(jìn)行“宏觀-微觀-納米”跨尺度制備的迫切需求。近年來(lái)，圍繞超級(jí)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(gòu)建的超級(jí)電容器可廣泛用作便攜式和可穿戴式儲(chǔ)能元件。為了進(jìn)一步提高其電容量，同時(shí)減小其尺寸，人們陸續(xù)研制了纖維和電纜式超級(jí)電容器。Wang 等設(shè)計(jì)制備了基于NiCo2O4納米同軸纖維的超級(jí)電容器，該電容器在0.08 mA時(shí)，體積電容高達(dá) 10.3 F/cm3。
類似的CuCo2O4和ZnCo2O4超級(jí)電容器在30mV/s時(shí)，電容分別高達(dá) 1.09 F/g和10.9 F/g。盡管超級(jí)電容器不斷取得突破，但是仍然需要進(jìn)一步改善其性能以便適合實(shí)際應(yīng)用。例如，大多數(shù)超級(jí)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(chǎn)生大的接觸電阻。因此，為了提高電荷傳輸效率，應(yīng)降低內(nèi)部電阻，并增加活性表面積。Ramadoss 等將NiCo2O4生長(zhǎng)在3D-Ni/Ni-wire整裝結(jié)構(gòu)基體上，體現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能。
3D-Ni/Ni-wire集電器具有多孔、多活性位點(diǎn)的樹(shù)突狀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和短的擴(kuò)散路徑，可在氫氣氣泡存在的模板中通過(guò)電沉積法制備。隨后，雙金屬(Ni和Co)氫氧化物通過(guò)電沉積法負(fù)載于3D-Ni/Ni-wire 上。最后，所積的雙金屬氫氧化物經(jīng)過(guò) 300℃焙燒生成NiCo2O4尖晶石涂層。NiCo2O4/3D-Ni/Niwire 具有優(yōu)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(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)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(jié)構(gòu)化炭顆粒復(fù)合電極，并用作 Zn- 空電池的超薄陰極電極，具有優(yōu)于常規(guī)電極材料的性能。碳納米管(CNTs)和碳?xì)饽z(CAG)是極富應(yīng)用前景的納米碳基材料，但用于電池和超級(jí)電容器時(shí)遇到成型問(wèn)題。傳統(tǒng)高分子膠黏劑的使用不僅會(huì)犧牲電極材料的比表面積、破壞碳材料的結(jié)構(gòu)特性，還會(huì)導(dǎo)致很高的電荷傳導(dǎo)阻力和離子傳遞阻力因此無(wú)黏結(jié)劑的跨尺度制備引起了人們的關(guān)注。
基于整裝燒結(jié)金屬 Ni纖維結(jié)構(gòu)所提供的薄層大面積、大空隙率、開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)、獨(dú)特的形狀因子和高化學(xué)活性等特性，Jiang 等通過(guò)催化化學(xué)氣相沉積法在 Ni纖維表面生長(zhǎng) CNTs，成功制備了“Ni纖維-CNTs”復(fù)合結(jié)構(gòu)材料(直徑8.0 cm)，整體結(jié)構(gòu)保持完好且 CNTs 分布均勻,CNTs負(fù)載量高達(dá)60%以上。該復(fù)合材料的電荷傳導(dǎo)阻力和離子傳遞阻力均非常小，在5mol/L KOH水溶液電解質(zhì)中測(cè)得的比電容可達(dá)47 F/g。利用以上所得“Ni纖維-CNTs”復(fù)合結(jié)構(gòu)材料為基底，F(xiàn)ang 等通過(guò)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?xì)饽z復(fù)合電極材料，其中金屬纖維網(wǎng)絡(luò)為集電極、CNTs 為納米導(dǎo)線、CAG介孔為離子存儲(chǔ)庫(kù);在5 mol/L KOH水溶液電解質(zhì)中，該材料具有優(yōu)良的導(dǎo)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(kāi)放網(wǎng)絡(luò)的燒結(jié)金屬纖維結(jié)構(gòu)，通過(guò)催化化學(xué)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(wǎng)絡(luò)為集電極，CNTs 為納米導(dǎo)線PANI為化學(xué)儲(chǔ)能活性物質(zhì)，尺度跨越宏觀、介觀和納米的自支撐三維 CNTs-PANI復(fù)合電極材料。以分子量 10000的 PANI單體制備的PANI、CNTs和Ni-fber 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 28%、28%和44%的復(fù)合電極材料，具有最佳的電化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)電容儲(chǔ)能性能，以及良好的充放電循環(huán)穩(wěn)定性。分析結(jié)果表明，PANI與CNTs 間的π-π相互堆積作用產(chǎn)生的電子相互作用不僅促進(jìn)了 PANI的電化學(xué)活性，而且可能對(duì) PANI具有穩(wěn)定作用，進(jìn)而改善了充放電循環(huán)穩(wěn)定性。
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