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1、超级电容电池用炭类负极材料的研究进展摘要：超级电容电池是具有高能量密度和高功率密度的新型储能器件,对其负极材料的研究主要集中在炭材料上。分析了超级电容电池用炭类负极的工作原理,综述了可用作超级电容电池负极的活性炭/石墨复合材料和三维炭材料的制备方法与电化学性能,分析了现行超级电容电池用炭类材料研究中的不足,指出超级电容电池用炭类负极材料的研究重点应集中在对其储能机理进行深层次研究。采用量子化学计算方法研究炭材料结构与性能的关系也是未来研究的一个重点。关键词：超级电容电池；炭类负极；储能器件1超级电容电池简介超级电容电池是指兼具双电层电容储能和
2、锂离子脱/嵌储能的一种新储能器件,具有高能量密度和高功率密度,可望在航空航天、国防军工、电动车辆、电子信息和仪器仪表等急需兼具高能量密度、高功率密度等性能储能器件的领域得到广泛应用。目前对超级电容电池储能器件的研究逐渐成为热点。作为超级电容电池关键材料之一的负极材料应兼具锂离子电池负极材料和超级电容器电极材料的特点。迄今为止,在锂离子二次电池负极材料和超级电容器负极材料中,炭材料是唯一商业化的,而且在新型、高性能开发方面仍具很大发展空间,因此,炭材料仍然是锂离子二次电池负极材料和超级电容器负极材料研究领域的热点之一。选择来源广泛、价格便宜、性
3、能优良的炭类材料作为超级电容电池的负极材料具有广阔的应用前景。目前专门针对超级电容电池用炭类负极材料的研究比较少,但是已有文献报道采用一定的方法制备出兼具优异双电层电容性能和锂离子电池性能的炭材料。本文主要综述了兼具双电层电容和锂离子电池性能的炭材料的研究现状,指出了这些材料目前存在的不足,并分析了超级电容电池用炭类负极材料未来的研究方向。2超级电容电池用炭类负极材料的研究进展为了满足锂离子脱/嵌储能,作为超级电容电池的负极应该满足:在锂离子的嵌入反应中自由能变化小,锂离子在负极的固态结构中有高的扩散率、高度可逆的嵌入反应和良好的电导率,热力
4、学性能稳定并与电解质不发生反应。同时为了满足良好的双电层储能,作为超级电容电池的负极,还应具有良好的电化学稳定性、合适的孔结构与比表面积、较高的电位窗口等性能,以保证其在高电压电池系统里具有良好的性能,特别是大倍率性能。目前的研究主要分为两类:一类是根据活性炭满足双电层储能,石墨插层化合物满足锂离子脱/嵌储能,将活性炭与石墨插层化合物复合;另一类是根据双电层储能和锂离子脱/嵌储能对不同炭孔径的要求,利用不同的模板方法制备出三维孔径的炭材料。2.1活性炭与石墨复合材料活性炭是超级电容器最早采用的炭电极材料,也是目前研究得最多的一种电极材料。作为
5、超级电容器电极材料,活性炭的优越性在于其具有良好的导电性、超高的比表面积(达2000m2/g以上)、可调控的孔系结构。此外,活性炭还具有原料丰富、价格低廉、加工性能好、化学性能稳定等优点。在锂离子电池用炭负极材料中,石墨插层化合物(GIC)应用最为成功,与其它嵌入材料相比,该炭材料具备较高的法拉第容量、高循环效率和低电化学电位。目前,GIC类负极材料中中间相炭微球(CMS)由于其球形的颗粒和高度有序的层面堆积结构,有利于锂离子从球的各个方向嵌入和脱嵌,避免了其他石墨类材料由于各向异性过高引起的石墨片溶涨、塌陷和循环性能不佳的缺陷。CMS以其优
6、越的特性成为目前长寿命锂离子电池及动力电池所使用的主要负极材料之一。李劼等将活性炭与CMS复合制备的新型负极材料,在锂离子电池中其比容量达301.2mA·h/g,在超级电容器中其比容量达25F/g,电位窗口提高至3.5VvsLi/Li+,能量密度提高至40.3W·h/kg。因为外层包覆的炭材料还有望对内层CMS进行保护,有效防止溶剂化锂离子与有机溶剂的共嵌入对CMS层间的破坏,具有较好的电池特性。但是该炭材料在超级电容电池中应用时存在以下缺点:l材料结构和储能形式单一,无法最大限度地发挥超级电容电池；l双功能的性能特点,即不能同时利用锂离子化
7、学储能与双电层物理储能相结合而达到高能量密度和高功率密度的目的；l由于材料单一,无法克服材料本身的缺陷,如石墨材料具有与溶剂相容性差以及倍率性能不理想等缺点；l很难解决负极材料与正极及电解液的匹配。这些缺陷都将大大影响到超级电容电池的性能,因此需要对该复合材料的微观组成结构进行进一步研究调控,从而改善这类炭复合电极的性能。此外也有将石墨和活性炭以不同组装方式来研究单独的锂离子电池特性或双电层电容特性。V.Khomenko等采用活性炭作正极,石墨作为负极,普通锂离子电池用有机电解液(LiPF6/EC+DMC)作为电解液,组装成电容器,其工作电压
8、最高可达4.5V,比电容为对称电容器比电容的2倍,因而能量密度高达103.8W·h/kg。与此同时,该不对称电容器保持了优良的循环性能,即10000次循环后容量保持
