基于碳纳米管的超级电容器研究进展.pdf

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1、第28卷第5期应用化学Vo1.28Iss.5一扩2011年5月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYMav2011一述评合综一基于碳纳米管的超级电容器研究进展章仁毅张小燕樊华军何品刚方禹之(华东师范大学化学系,上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室上海200062)摘要综述了基于碳纳米管及其复合材料作超级电容器的电极材料的研究现状,通过对碳纳米管的改性或与其它材料复合,能有效地提高电容器的电容特性。总结了近几年来在开发超级电容器电极材料领域中对碳纳米管的活化和提高碳纳米管的分散性技术、碳纳米管与过渡金属氧化物复合材料、碳纳米管与导电聚合物复合材料以及碳纳米管与石墨烯

2、复合材料研究的进展。关键词碳纳米管,超级电容器,复合材料中图分类号:0646文献标识码:A文章编号:1000-0518(2011)05-0489—11DOI:10.3724/SP.J.1095.2011.00481超级电容器(Supercapacitors)又称电化学电容器(ElectrochemicalCapacitors)或者双电层电容器(ElectricDoubleLayerCapacitors),它是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件,与传统电容器相比具有更高比电容量和能量密度,与电池相比则具有更高的功率密度⋯;由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染和循环寿命长等优点,有

3、希望成为本世纪新型的绿色能源。电极材料是超级电容器的重要组成部分,是影响超级电容器电容性能和生产成本的关键因素,因此研究开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研究工作的重要内容。目前研究的超级电容器的电极材料主要有炭材料剖、金属氧化物及其水合物电极材料和导电聚合物电极材料。碳纳米管(CNT)具有独特的中空结构、良好的导电性、高比表面积、化学稳定性、适合电解质离子迁移的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构等优点,因此其作为电极材料可以显著提高超级电容器的功率特性,被认为是理想的超级电容器电极材料,成为近年来的研究热点’,并有不少有关基于CNT的超级电容器研究的综述报道。本文重点对近几年来在

4、开发CNT作超级电容器的电极材料研究领域中对CNT的活化和提高CNT的分散性、CNT与过渡金属氧化物复合材料、CNT与导电聚合物复合材料以及CNT与石墨烯复合材料研究的新进展进行综述。1碳纳米管作超级电容器的电极材料1.1碳纳米管直接用作超级电容器的电极材料CNT具有很大的表面积、良好的电导率和高强度的机械性能。自从1997年Niu等首次提出CNT可用到超级电容器中,CNT便开始成为超级电容器电极材料领域的研究热点。近年来,An等制备的单壁碳纳米管(SWCNT)电极比电容已达到180F/g,功率密度达到20kW/kg。Du等利用电沉积技术在镍箔电极上沉积一层多壁碳纳米管(MWCNT)薄膜,由于

5、镍箔和MWCNT薄膜间的接触电阻很小,功率密度可以达到20kW/kg。如果将MWCNT先经过硝酸回流处理,再制得MWCNT/镍箔电极,功率密度可提高到30kW/kgl2。Zhao等将羧基化的MWCNT喷射沉积在不锈钢层上制备MWCNT薄层,这种方法简单且易于控制厚度。制备的MWCNT薄层稳定性高,100次循环后依然外观如新没有破损脱落,其制得薄膜材料的比电容可达155F/g。Yu等将SWCNT薄膜压到聚二甲基硅氧烷基底上制备出2维正弦曲线状SWCNT薄膜电极,其比电容可达到52~2010-08-18收稿,2010.12-05修回国家自然科学基金(20675031)资助项目通讯联系人:何品刚,教

6、授;Tel/Fax:02162233798;E.mail:pghe@chem.ecnu.edu.ell;研究方向:电化学和电化学传感器490应用化学第28卷54F/g,电极材料在经受1000次的充放电后依然保持了良好的电容性能。于洪涛等。。用热化学气相沉积法在阳极氧化钛片上直接生长了定向直立碳纳米管(ACNT)有序阵列,用交流阻抗和循环伏安证明其具有良好的电容特性。叶晓燕等‘。在石英玻璃基底上以酞菁裂解法低压气相沉积制备大面积管径均匀、长度一致的ACNT阵列,测定其比电容为16—32F/g。Futaba等j采用化学气相沉积法制备定向直立单壁碳纳米管(AlignedSWCNT)有序阵列,然后利用

7、浸润ACNT阵列的液体蒸发时产生的范德华力“收紧”ACNT阵列,制备出高密度的“SWCNT固体”,此电极的比电容可达80F/g,功率密度高达69.4kW/kg。Chen等利用氧化铝模板化学气相沉积法制备的ACNT阵列,然后在ACNT阵列底部溅射上一层金箔作为集流体,用酸洗去氧化铝制成超级电容电极材料。采用金箔作为集流体可减小接触电阻,测得电极比电容为365F/g,且电极经过高达5000次的充放电后

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1、第28卷第5期应用化学Vo1.28Iss.5一扩2011年5月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYMav2011一述评合综一基于碳纳米管的超级电容器研究进展章仁毅张小燕樊华军何品刚方禹之(华东师范大学化学系,上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室上海200062)摘要综述了基于碳纳米管及其复合材料作超级电容器的电极材料的研究现状,通过对碳纳米管的改性或与其它材料复合,能有效地提高电容器的电容特性。总结了近几年来在开发超级电容器电极材料领域中对碳纳米管的活化和提高碳纳米管的分散性技术、碳纳米管与过渡金属氧化物复合材料、碳纳米管与导电聚合物复合材料以及碳纳米管与石墨烯

2、复合材料研究的进展。关键词碳纳米管,超级电容器,复合材料中图分类号:0646文献标识码:A文章编号:1000-0518(2011)05-0489—11DOI:10.3724/SP.J.1095.2011.00481超级电容器(Supercapacitors)又称电化学电容器(ElectrochemicalCapacitors)或者双电层电容器(ElectricDoubleLayerCapacitors),它是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件,与传统电容器相比具有更高比电容量和能量密度,与电池相比则具有更高的功率密度⋯;由于超级电容器具有充放电速度快、对环境无污染和循环寿命长等优点,有

3、希望成为本世纪新型的绿色能源。电极材料是超级电容器的重要组成部分,是影响超级电容器电容性能和生产成本的关键因素,因此研究开发高性能、低成本的电极材料是超级电容器研究工作的重要内容。目前研究的超级电容器的电极材料主要有炭材料剖、金属氧化物及其水合物电极材料和导电聚合物电极材料。碳纳米管(CNT)具有独特的中空结构、良好的导电性、高比表面积、化学稳定性、适合电解质离子迁移的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构等优点,因此其作为电极材料可以显著提高超级电容器的功率特性,被认为是理想的超级电容器电极材料,成为近年来的研究热点’,并有不少有关基于CNT的超级电容器研究的综述报道。本文重点对近几年来在

4、开发CNT作超级电容器的电极材料研究领域中对CNT的活化和提高CNT的分散性、CNT与过渡金属氧化物复合材料、CNT与导电聚合物复合材料以及CNT与石墨烯复合材料研究的新进展进行综述。1碳纳米管作超级电容器的电极材料1.1碳纳米管直接用作超级电容器的电极材料CNT具有很大的表面积、良好的电导率和高强度的机械性能。自从1997年Niu等首次提出CNT可用到超级电容器中,CNT便开始成为超级电容器电极材料领域的研究热点。近年来,An等制备的单壁碳纳米管(SWCNT)电极比电容已达到180F/g,功率密度达到20kW/kg。Du等利用电沉积技术在镍箔电极上沉积一层多壁碳纳米管(MWCNT)薄膜,由于

5、镍箔和MWCNT薄膜间的接触电阻很小,功率密度可以达到20kW/kg。如果将MWCNT先经过硝酸回流处理,再制得MWCNT/镍箔电极,功率密度可提高到30kW/kgl2。Zhao等将羧基化的MWCNT喷射沉积在不锈钢层上制备MWCNT薄层,这种方法简单且易于控制厚度。制备的MWCNT薄层稳定性高,100次循环后依然外观如新没有破损脱落,其制得薄膜材料的比电容可达155F/g。Yu等将SWCNT薄膜压到聚二甲基硅氧烷基底上制备出2维正弦曲线状SWCNT薄膜电极,其比电容可达到52~2010-08-18收稿,2010.12-05修回国家自然科学基金(20675031)资助项目通讯联系人:何品刚,教

6、授;Tel/Fax:02162233798;E.mail:pghe@chem.ecnu.edu.ell;研究方向:电化学和电化学传感器490应用化学第28卷54F/g,电极材料在经受1000次的充放电后依然保持了良好的电容性能。于洪涛等。。用热化学气相沉积法在阳极氧化钛片上直接生长了定向直立碳纳米管(ACNT)有序阵列,用交流阻抗和循环伏安证明其具有良好的电容特性。叶晓燕等‘。在石英玻璃基底上以酞菁裂解法低压气相沉积制备大面积管径均匀、长度一致的ACNT阵列,测定其比电容为16—32F/g。Futaba等j采用化学气相沉积法制备定向直立单壁碳纳米管(AlignedSWCNT)有序阵列,然后利用

7、浸润ACNT阵列的液体蒸发时产生的范德华力“收紧”ACNT阵列,制备出高密度的“SWCNT固体”,此电极的比电容可达80F/g,功率密度高达69.4kW/kg。Chen等利用氧化铝模板化学气相沉积法制备的ACNT阵列,然后在ACNT阵列底部溅射上一层金箔作为集流体,用酸洗去氧化铝制成超级电容电极材料。采用金箔作为集流体可减小接触电阻,测得电极比电容为365F/g,且电极经过高达5000次的充放电后

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