文丨叹为观史

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前言

随着全球经济的快速增长，对能源的需求急剧增加。风能和太阳能等可持续能源的发电在电力供应中发挥着重要作用。

然而，可持续能源的间歇性和区域分布不平衡，使他们无法稳定地提供电力。储能系统的发展是满足工业和住宅使用充足稳定电力供应的迫切要求。

虽然可充电锂离子电池是每个领域的主导能源，作为高能量密度供应商已经填补了他们的位置，锂离子电池仍存在循环寿命差和功率性能低的局限性。

超级电容器，也称为超级电容器和电化学电容器，是一种新兴的储能器件，具有高功率密度和数万次充放电循环。

SC在弥合传统电容器和电池之间的差距方面具有独特的地位。与传统电容器相比，SC具有几个数量级的比能量密度。此外，由于其独特的电荷存储机制，SC提供比电池更高的比功率密度。

超级电容器的原理和机理

根据不同的电荷存储机制，SC主要分为两类，双电层电容器和赝电容器。EDLC通过静电力将电荷存储在电极-电解质界面上，这是一个物理过程，不涉及电极表面的电化学反应。

为了提高SC的电容和能量密度，已经探索了一些电化学活性材料，如过渡金属氧化物和导电聚合物作为赝电容器的电极材料。

赝电容器中的能量存储源于电解质和电活性材料界面处的可逆表面法拉第氧化还原反应。

影响超级电容器性能的因素

EDLC 的电容在很大程度上取决于有效表面积和电极的孔径分布 。通常，碳基材料及其衍生物，包括活性炭，碳纳米管和石墨烯，具有高导电性，化学稳定性和大比表面积，在EDLC中被广泛使用。

虽然EDLC具有高功率密度和出色的充放电循环稳定性，但由于碳基材料的电容相对较低，它们的能量密度较低。

与EDLC相比，赝电容器可以实现明显更高的能量密度，因为它们具有多种氧化态用于氧化还原电荷转移反应。

赝电容材料相对较低的导电性以及较差的倍率能力和循环稳定性限制了其广泛的商业应用。因此，具有高导电性和独特结构的碳基材料可以与双电容材料结合，表现出超电容性能的协同效应，称为混合SCs。

碳基复合电极材料

碳材料是用于超级电容器的EDLC型。EDLC介绍了它们的特性，即在电极-电解质界面上通过静电力存储电荷。

它不涉及电极表面的电化学反应。有不同类型的碳纳米结构材料，由于其独特的结构、机械和电性能，可以用作单电极材料。

零维碳纳米粒子

它们是圆形颗粒，具有高比面积和近。此外通过调整孔径分布和孔含量，它们可以用作复合电极的合适支撑材料。

一维碳纳米结构

这些是具有纤维形状和良好电子性能的高纵横比材料，碳纳米线圈和碳纳米纤维，它们通过一维电荷转移途径促进了电化学反应动力学。

二维纳米片

它们是具有高纵横比的片状结构，石墨烯，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯。它们具有较高的比表面积、良好的机械强度和优异的电渗导电性，有助于它们成为SCs的有前途的电极材料。

碳钌氧化物基复合电极材料

在金属氧化物中，氧化钌因其优异的赝容量，具有高导电性、良好的热稳定性、高度可逆的氧化还原反应、1.2 V内的三种不同氧化态和高比电容特性，被认为是酸性介质中SCs非常常见的电极材料。

它的稀缺性和高成本限制了RuO的制造。2用于潜在应用的基电极。但是，通过协同集成赝电容RuO巧妙地利用复合材料2具有导电碳质基板的材料不仅可以提高电容，还可以降低电极的成本。

若欧2-碳纳米管复合材料由RuO均匀涂覆制备而成2通过原子层沉积技术对垂直排列的多孔碳纳米管进行多孔化，并通过伏安法电位库仑法进一步活化。

这种 ALD 技术具有许多优点，在大表面积上沉积、精确的厚度和在储能设计中设计电极的出色均匀性。

准备好的RuO2-CNT复合材料作为SC电极材料在电容、功率密度和稳定性方面表现出优异的电化学性能。

一些出版物已经报道了RuO的比电容和功率密度2-碳纳米管复合材料，约为 650 F g−1和 17 kW kg−1分别。

Kaner最近 et.al 展示了3D多孔RuO的合成和加工2/激光划线石墨烯复合电极，用于具有超高能量和功率密度。

三维多孔RuO的高分辨率透射电镜LSG 复合在显示多层石墨烯片缠绕在每个RuO周围2纳米颗粒。

3D多孔若欧2/LSG复合电极表现出1139 Fg的超高比电容−1具有出色的倍率能力和由 3D 多孔 RuO 制成的不对称超级电容器2/LSG复合电极作为正极表现出55 W h kg的极高能量密度−1功率密度为 12 kW kg 时−1 。

RuO的其他有趣组合2由RuO制成2修饰氮掺杂还原氧化石墨烯气凝胶用作高性能透明固态超级电容器。

若欧2/NGA 复合材料，精细调谐载样量为 16.3 μg cm−2透射率为 34.1% ，显示最大面能量为 0.074 μW h cm−2功率为 64 μW cm−2在 100 次循环中具有 2000% 的循环稳定性 。这若欧2基于NGA的高透明SC可以实际用于许多先进的透明电气设备。

碳锰氧化物基复合电极材料

氧化锰2与其他过渡金属氧化物相比，由于价格低廉、储量丰富、比电容高、环境良性、毒性低等优点，被认为是储能应用中有前途的赝电容电极材料。

锰酸锰2基电极由于其低表面积和较差的电子/离子导电性而限制了容量和功率密度。复合锰2具有高表面积和导电的碳质材料可以通过提供MnO之间的更大界面面积来提高比容量，能量和功率密度方面的电化学性能2颗粒和电解质溶液。

高等人制造了MnO2/基于活性炭的混合SC，其中AC不仅充当导电支持，而且还增加电容以及能量和功率密度。

工程化锰的形貌2进入不同的纳米结构被认为是提高其电化学性能的实用方法。

介孔-MnO的孔径2/AC对SC的比电容和倍率能力影响较大，Huang等人证明了CNT对MnO电化学性能的影响2-碳纳米管复合电极通过控制MnO的生长2碳纳米管上的纳米结构通过简单的氧化还原方法。

准备好的氧化锰2-CNT复合电极的最大比电容为247.9 F g−1循环92次后具有8.5000%的出色循环稳定性。

由于扁平比表面积大、接触电阻低和快速电子转移动力学，取向的碳纳米管比未对准的碳纳米管更受SC电极的青睐。

石墨烯被用作MnO的支持材料2纳米结构由于其大表面积，高导电性和高稳定性。微波辐照合成了MnO2-石墨烯复合材料表现出最大电容310 F g−1，远高于裸石墨烯和MnO2。

除了高电容外，氧化锉2-石墨烯复合材料在95次循环中具有更好的循环稳定性，达到15000%。

氧化锰优异的电化学性能2-石墨烯复合材料是由于石墨烯网络具有大表面积和高导电性。

Zhang等报道了基于石墨烯水凝胶/铜线作为负极和分层MnO的高柔性ASC。2/石墨烯/碳纤维为正极，表现出优异的面能量密度，为18.1 μW h cm−2并在 0-1.6 V 的电位窗口下可逆运行。

3D多孔碳纳米结构也可用作MnO2支持超级电容器电极，因为它们提供了大表面积、明确的电解质通道和更好的机械稳定性。

Fang等人展示了一种基于3D rGO@MnO的新型固态对称超级电容器2泡沫电极和聚丙烯酸-硅酸盐水泥-KOH电解质，显示出非常高的面容量，为1.84 F cm−2电流密度为 0.5 mA cm 时−2在 61 mA cm 的电流密度下具有 40% 的出色电容保持性−2。

碳钴氧化物基复合电极材料

钴氧化物因其无毒、低成本、易于合成、环保以及更重要的高理论电容。此外，钴氧化物在碱性和有机电解质中表现出出色的电化学行为，这是可能的，因为它们能够与电解质表面以及大部分材料的离子相互作用。

钴氧化物的低电导率/离子电导率阻碍了其作为SC电极的实际性能。提高其电化学性能的最有效方法是通过将掺入碳基导电载体中来形成钴氧化物复合材料。

电极表现出最大可实现的比电容 567 F g−1最大能量密度为 63 W h kg−1在 0.7 A g 时−1.除了高比电容外，Co3O4电容保持率的/AC复合材料在82次充电/放电循环后为6000%，并且由于无泄漏，因此可以安全处理。

氧化钴的比电容很大程度上取决于材料的微观结构和形貌，这有利于电解质离子更有效地通过材料传输。

Sun等人展示了一种简单有效的方法来生长排列良好的3D氧化钴纳米线阵列通过CVD工艺直接在碳纳米管纤维上。

公司3O4NWAs/CNFs的比电容为734.25 F cm−3在 1.0 A 厘米−3和 13.2 mW h cm 的高能量密度−3电流密度为 1.0 A cm 时−3.石墨烯与钴氧化物一起可用作SC的复合材料，因为它具有高导电性，高表面积，高载流子迁移率和优异的机械强度。

原位合成的厚度为13 nm的混合复合电极表现出1.75 F cm的高比电容−2在 1 mA 厘米处−2在 12 mA cm 下循环 2 次后电容增加 5000.10%−2。

Tseng等人展示了一种基于CoO/石墨烯空心纳米球复合电极的无粘合剂柔性SC。所制备的CoO/GHBs复合电极具有2238 F g的高比电容−1电流密度为 1 A g 时−1和 1170 F g 的良好倍率能力−1电流密度为 15 A g 时−1。

优异的电容性能和高倍率能力是通过具有大表面积的导电GHB和高赝电容CoO的协同组合来实现的。由于制造的SSC表现出非常高的功率密度。−1在 8.2 W h kg 时−1， 高能量密度、良好的循环稳定性，并且在各种弯曲位置具有出色的机械柔韧性。

近年来，具有适当导电性、高比表面积和丰富介电电化学稳定性的3D-碳气凝胶与多孔钴氧化物相结合，可以制备出具有优异电化学性能的复合电极。

公司3O4原位生长法合成的/CA复合电极的比电容为350 F g−1在 1 A g 时−1能量密度为 23.82 kW kg−1功率密度为 95.96 W kg−1。

制备好的ASC器件可以在0.0至1 V的潜在范围内在1 A g下可逆循环−1并且在 210 次循环中显示出 6000% 的容量保持率。

采用简单的水热法在3D-石墨烯泡沫上合成了自组装氧化钴纳米棒簇，与在泡沫镍上生长的CoO纳米棒簇相比，表现出非常高的性能。 按比电容 980 F g−1在 1 A g 时−1循环稳定性在 103，10 次循环中达到 1000%。

参考文献

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