可用至3.5 v的碳纳米管阵列超级电容器

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1、万方数据第14卷第2期2008年5月电化学EI正CTROCHEMISTRYV01．14No．2May2008可用至3．5V文章编号：1006-3471(2008)02-01174)4的碳纳米管阵列超级电容器张浩1，曹高萍h，杨裕生1，顾镇南2，徐斌1，张文峰1(1．中国人民解放军防化研究院，北京100083；2．北京大学化学与分子-I-程学院，北京100871)摘要：应用化学气相沉积在钽片和不锈钢片表面直接生长碳纳米管阵列(CNTA)制备超级电容器电极，并分别作正、负极组装有机体系扣式电容器．扫描电子显微镜、循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗表征、测试材料的微观形

2、貌和电化学性能．结果表明，该电容器可获得高达3．5V的工作电压，较长的循环寿命，较好的倍率性能．基于CNTA质量的比功率和比能量性能分别为928kW·ks’1和19Wh·ks～．关键词：超级电容器；碳纳米管阵列；电化学性能中图分类号：0646；TM911文献标识码：A超级电容器作为一种新型化学储能装置，具有比功率高、循环寿命长，安全以及环境友好等优点，在运输领域尤其在混合电动车(Hybridelectricve—hicle，HEV)方面具有良好的应用前景⋯．活性炭是使用最广泛的一种超级电容器电极材料，它成本低、比表面高、制备工艺成熟．但活性炭固有的缺点制约了电容

3、器性能的进一步提高，例如表面残存的一些活性基团和悬挂键使活性炭同电解液之间的反应活性增加，造成电容器额定电压较低．有机体系活性炭基超级电容器额定电压一般为2．3～2．5V．而额定电压的提高，一方面可提高比能量，另一方面可增强实用性，例如只需较少的超级电容器单体串联便可得到较高电压的模块．碳纳米管(crcr)具有一维的纳米尺寸、独特的电学性质及良好的机械性能，成为超级电容器电极材料领域的研究热点心J．同活性炭相比，CNT的石墨层结构规则，表面官能团和悬键少，有望使超级电容器获得更高的额定电压．同普通的无序的CNT(ECNT)p41相比，垂直生长的CNT阵列(CNT

4、A)M刮具有规则的孔结构和导电通路，因此其有效比表面积较高归j，离子扩散电阻较低u0

5、，倍率性能优异，具有更好的研究和应用前景．本文用化学气相沉积法(CVD)在钽片和不锈钢片上直接生长碳纳米管阵列制备超级电容器电极[111，并组装成扣式电容器考察其电化学性能．1实验部分1．1碳纳米管阵列电极的制备与表征在钽片和不锈钢(Incoel600)片上分别利用电子束蒸发法蒸镀Al：O，缓冲层．该缓冲层约20nm厚，能促进碳纳米管在它上面的生长，但不会影响金属基底和阵列间的接触．用上述两种金属片作基底，酞菁铁(C32H16FeN8，纯度96％，ACROSOR-GANIC公司

6、)作催化剂前躯体，乙烯作碳源．以CVD法在800℃下制备碳纳米管阵列uu电极，反应时间2h．由于该碳纳米管阵列直接生长在金属集流体上，这种电极不需加入粘结剂便能直接成型．用扫描电子显微镜(SEM，FEIQUANTA200F，15kV)观察CNTA的微观结构．1．2碳纳米管阵列电极的电化学性能表征以上述钽基底和不锈钢基底的阵列电极作正、负极组装扣式电容器，电解液为lmol·L。1EhNBF4／PC溶液．循环伏安(CV)测试使用CHI1100A电化学测试仪，交流阻抗(EIS)测试使用Solartron1280电化学测试仪，恒电流充放电和循环寿命测试使用Arbin20

7、00充放电仪．收稿日期：2007—11-26，修订13期：2007-12-12·通讯作者，Tel：(86—10)66705840，E．mail：eaogaoping@tom．coin国家自然科学基金项目(20633040)，国家“863”计划资助项目(2006AA032342，2006AAllAl63)资助万方数据·118·电化学2008年2结果与讨论图1是组装的扣式电容器的构造示意图．图中隔膜左侧和右侧分别是以不锈钢片和钽片为基底制备的CNTA电极片，而其下半部分为CNTA侧面的SEM照片．可以看出，在CNTA电极中CNT成规则地定向排列，并呈现规则的孔结构和

8、大的孔尺寸(10一200姗)，由于每根CNT直接与集流体接触，导电通路十分规则，从而具有较高的电子电导率．图2分别示出CNTA基扣式电容器主要的电化学性能．1)图2a示出不同扫速下的循环伏安曲线．在O一3．5V的较宽电压区间内，于20V·s。1的高扫速下该CNTA电极仍能出现类矩形的CV曲线，表明它具有良好的稳定性和倍率性能，远好于活性炭材料电极．2)图2b显示比容量随放电电流密度的变化曲线．在0—3．7V区间内，小电流密度下可获得该g氐E／V(vs．SCE)CNTA电容器41F·g叫的比容量，据此算得对应的比能量为19Wh·kg一(1／2CV2，按活性物质质量

9、，工作电压3．7V计算)