超级电容器纳米尺度电极材料

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1、超级电容器纳米尺度电极材料摘要：人类对化石能源的过渡依赖和消耗造成了严重的环境问题和能源危机，为实现可持续发展的能源的开发和利用，新能源和新型能源装置研宄引起广泛关注。作为一种能量存储装置，超级电容器具有非常高的功率密度、长循环寿命、充放电速度快、对环境无污染等特点。纳米材料的广泛研究极人地推动了超级电容器等先进储能技术的蓬勃发展。然而，超级电容器材料的导电性能差、局部分散不均匀、与电解液接触面性能不稳定等纳米材料领域常见的问题同样关系着超级电容器基本性能。经过材料的复合和结构的调控，包括过渡金属氧化物、导电聚

2、合物与多孔金属之间的复合和一维线状结构、二维纳米多孔结构和三维大孔结构的设计制备，进一步改善超级电容器材料的电容性能。关键词：超级电容器；纳米材料；从人类认识世界的精度來看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米吋代（20世纪40年代开始至今）［1］。自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter［2］提出纳米晶体材料的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指

3、特征尺寸在纳米数景级（通常指1〜100nm）的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）［3］。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域。纳米材料具有很好的表面效应，即是指纳米微粒表面原子与总原子数之比，随粒径的变小而急剧增大

4、后引起性质上的变化。纳米材料的颗粒尺寸小，位于表面的原子所占的体积分数很大，产生相当大的表面能。随着纳米粒子尺寸的减小，比表面积急剧加大，表面原子数及比例迅速增大。由于表面原子数增多，比表面积大，使得表面原子处于裸露状态。周围缺少相邻的原子，原子配位数不足，存在未饱和键，导致了纳米颗粒表面存在许多缺陷，使这些表面具有很高的活性，特别容易吸附其他原子或与其他原子发生化学反应。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面输运和构型的变化，同时也引起表面电子自旋、构象、电子能谱的变化。它是纳米粒子及其固体材料的最重要的效应

5、之一。由于纳米粒子存在界面效应与表面效应，因而产生粒子表面过剩电荷、电荷载流子的相互作用、魔聚数与粒子稳定性以及粒度控制等研宄课题［4］。因此可以将在能量储存上运用纳米材料。而超级电容器也作为一种新型储能设备得到很多人的关注和研宄。超级电容器作为一种兼有传统电容器与二次电池优点的新型储能器件，能提供高于传统电容器的能量密度，以及相较于二次电池更加优异的功率密度和循环寿命，有望广泛应用在能量转化、航天系统、通讯工程以及微电子器件等领域.众所周知，电极材料是超级电容器的核心部件，其性能的好坏直接决定电容器性能的优劣

6、［5］。电容器的电容主要由电极的比表面积决定，而纳米材料中的纳米纤维、纳米棒、纳米球、纳米线、纳米带等多种纳米形态可以提供极高的比表面积因而成为超级电容器电极材料研究的重点。下面我将就我在研究生第一学期所看的文献来阐述纳米材料在超级电容器电极中的应用。导电聚合物，尤其是具有超高比电容的聚苯胺，一直是高性能超级电容器电极材料的有力竞争者。将其与比表面积极高、导电性能突出的石墨烯复合，会产生显著的协同效应，改善其固有缺点。Zou等［61提出了用多步法合成聚苯胺纳米线，可以显著提高聚苯胺作为电极材料的电容特性。通过分

7、步沉积能够得到我们想要的独特的且定向的聚苯胺纳米线结构薄膜。这种独特的纳米结构能够提供更高的表面积并且使离子从电解质进入到电极材料表面更容易。制得的纳米线长度大约100〜200nm,直径大约在30〜50nm，相邻纳米线之间的距离为30到80nm,这样的结构可以作为有利于离子的扩散和传输的纳米孔通道。通过EIS测试多步法和一步法的聚苯胺电极材料，在低频下三步法的制得的聚苯胺电极材料的比电容为344F/g,将近有一步法(119F/g)的三倍。而且其循环寿命大大提高，1000次充放电后还能保留原电容的80%。Li等［

8、7］用电化学沉积法合成了聚苯胺纳米带，其宽度大约为2um，T均厚度约为50nm，纳米带的长度大约为20um。这样的带状纳米结构能够明显地提高电极的比表而积，减小离子扩散距离和离子交换距离，从而显著提高电极对电荷的存储能力，提高电容器的性能。其比电容能达到873F/g，而且电化学稳定性也大大提高。但是其比电容相比于理论值还存很大的提升空间。Wang等［合成了可用于高性能的垂直排列的导电聚