雙電層材料下的柔性超級電容器電極分析

高玉雙 段泉濱 趙程 張靜

摘 ? 要：隨著人類社會的發展與進步，各種不可再生能源被大量消耗，對綠色能源的充分利用已經成為目前世界各國研究的重點課題。而在自然條件下，對于綠色能源的獲取與存儲會呈現出很多限制，很難依據人類需求進行供能。此外，現有能源收集設備不僅儲能密度較低，而且容易導致污染問題的出現，因此對于超級電容器的研究已經迫在眉睫。本文主要分析了雙電層材料下的柔性超級電容器電極的應用性能。

關鍵詞：超級電容器 ?電容 ?雙電層材料

中圖分類號：TM91 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0076-02

超級電容器的出現，為能源存儲帶來了新的契機，其具備功率密度較高、能量轉化率高、充放電速度較快等特征，而且不會對自然環境形成危害，目前已經較為廣泛地應用于電子、儲能等領域。不過，超級電容器也具有一定缺點，包括能量密度較低等，導致其應用上受到一定限制，急需研發新型材料促進其應用性能的提升。

1 ?雙電層型超級電容器工作原理

電化學超級電容器，也可以稱之為超級電容器，其充放電過程主要是通過電極和電解質界面之間所形成的電化學反應而實現的。其組成結構包括電極材料、集流體、電解質以及隔膜。對超級電容器來說，其電極材料需要具備高電導率與大比表面積的特征，所應用的材料類型將直接影響到電容器的類型與性能。集流體材料應該具備優質的接觸性，從而降低超級電容器的電阻。此外，電解質性能會給電容器的整體性能形成很大的影響。隔膜需要容許離子的通過，避免電容器兩極間相互接觸而導致短路問題的出現。

雙電層這一概念由一位德國物理學家在19世紀所提出，而雙電層超級電容器主要是將雙電層理論作為依托，結合電解質當中離子跟電極界面之間的相互作用，從而形成雙電層，以此為基礎實現儲能。到20世紀，出現了Gouy-Chapman模型，也就是由緊密層電容（Ch）與擴散層電容Cdi所共同構成的雙電層電容（Cdl），三者之間的關系可以概括為：。在電場的作用之下，電解質當中的正離子會移動至負極板，與此同時負離子則移動至正極板，從而形成電位差。由于正負離子會在正負電極極板之間產生靜電吸引作用，導致極板中的離子不會再回到電解質當中，促進了系統整體穩定性的提升。在放電過程中，因為外界電路會將正負極板接通，極板當中的正電荷會呈現出定向移動效果，從而產生電流，電荷則會重新進入到電解質當中。決定雙電層電容大小的主要因素包括：（1）電極材料的種類。（2）比表面積。（3）電極材料之間的電場。（4）可浸潤性。（5）電解液所具備的特性等。

2 ?超級電容器中的主要電極材料

電極材料的選擇對于超級電容器的整體性能具有決定性作用，目前應用于超級電容器中的電極材料主要包括。

2.1 碳基材料

碳材料屬于目前應用于電容器制造中最為常用的一種材料，其商業化發展程度較高，主要具備密度較低、導電能力強大、孔隙率可控性高、比表面積大以及成本較低等特點。而碳納米管屬于一種一維形式的納米結構材料，不僅具備超強的電導率，還有著更大的比表面積。不過在實際應用當中，還具有一定局限性。

石墨烯屬于一種厚度與一個原子相當的新型碳材料，其晶體呈現為單層的蜂窩狀結構，有著非常良好的商業發展前景。石墨烯同時具備大表面積以及寬電化學窗口等諸多優勢，不過其片層比較容易堆疊，從而對其應用性能形成影響。而且，該種堆疊問題的出現，會在一定程度上降低它的比表面積，縮減能量密度，所以其在超級電容器中的推廣應用同樣受到了較大的限制。

2.2 金屬氧化物

相比之下，金屬氧化物具備更為優質的穩定性，目前能應用于電極中的材料包括RuO2、MnO2以及NiO等。其中，二氧化錳由于具有污染較低的特點，已經在超級電容器中得到了較為廣泛的應用。該種材料的作用機理主要是錳離子在電極材料的表面轉化成多種氧化態。不過，對二氧化錳材料的應用還具有一定缺陷，在其含量增加的情況下，因為會有團聚情況的出現，材料的比電容反倒會降低。

2.3 導電聚合物

也可稱之為合成金屬，具有高電活性、高電子導電率等特征。在諸多高分子材料當中，聚噻吩以及聚吡咯具有良好的化學穩定性、導電性與熱穩定性，而且價格低廉，成為對超級電容器電極制備最為主要的材料。不過，導電聚合物經過電循環會呈現出較大程度的膨脹與收縮問題，所以柔韌性比較差。

可以用于超級電容器電極中的材料眾多，不過單個電極材料雖然具有其優質的電化學性能，但同時也存在一定缺陷，正是由于這些缺陷的存在，導致其無法大量應用于電容器制造當中，阻礙了行業發展。為解決這一問題，對復合材料電極的研發與應用，能夠使各種材料之間形成協同作用，促進整體應用性能的提升，成為未來在能源存儲方面研究的一個重要發展方向和趨勢。

3 ?雙電層材料下柔性超級電容器電極特性

經過對國內外相關研究的查閱，將雙電層材料下的柔性電容器電極特性總結如下：（1）在柔性基底方面利用無紡布纖維材料，而集流體采用Al材料，能夠使柔性電容器更好地將電容量引出。（2）針對集流體進行活性處理，結合相關噴涂工藝，能夠制備出層層復合的柔性電極，繼而構成立體框架結構。而通過SEM檢測，能夠分析出復合薄膜各個層面的形貌及其結構，更為系統的研究其工藝條件，其層數與比例用量能夠對復合薄膜的電化學性能形成直接的影響。有相關研究表明，在復合薄膜層的數量為9層，而且比例用量是1.0mL rGO+1.0mL CNTs 的情況下，所制備出的rGO/CNTs復合薄膜會呈現出最為優質的結構穩定性以及電化學性能。這主要是由于碳納米管中所含有的支撐結構，對石墨烯的堆疊效應形成了一定抵消作用，使薄膜整體比表面積增大，促進了柔性材料電極性能的提升。（3）將甲基苯磺酸鐵當作氧化物，以旋涂的方式涂刷于薄膜之上，會使吡咯分子與呈現為液態的氧化物薄膜之間形成氧化聚合反應，從而產生PPy導電聚合物，并與經過改性制備處理的聚吡咯顆粒之間形成緊密連接。要保證顆粒的粒徑均勻，表面積相對較大，而且尺寸較小。結合SEM測試，針對復合薄膜的表面以及截面做出結構與形貌分析，從而研討化學氧化聚合相應的工藝條件給復合薄膜形成的影響。研究表明，經過15h左右的聚合，所制備出復合薄膜（rGO/CNTs/PPy）表面的微型聚合物粒子會十分均勻，能夠促進薄膜比表面積的增加。（4）將甲苯磺酸鐵薄膜當作氧化物，以旋涂的方式涂抹在薄膜上，EDOT單體會跟氣態條件下的氧化薄膜之間出現氧化聚合反應，從而得到具備細小孔洞的導電聚合物。結合多種測試方法針對柔性電極的表面與界面展開微觀結構和形貌分析，從而研究聚合溫度以及聚合時間等工藝條件對于柔性電極微觀形貌結構以及電化學性能所產生的影響。相關研究表面，在聚合溫度是30℃的條件下，其聚合時間大概是3h，復合薄膜的表面將會呈現出微孔結構。而這部分結構的出現能夠便于電解液離子進行吸附和脫附，使比表面積增加，從而呈現出更為優質的比電容。

4 ?結語

總而言之，雙電層材料的有效利用，能夠促進柔性超級電容器整體應用性能的提升，值得各科研機構投入更多的人力、物力和材料展開更為深入的研究。以超級電容器為依托，促進我國能源行業的發展，為國家經濟建設形成良好的助力。

參考文獻

[1] 宋利黎，韓穎慧，李玉娟，等.柔性超級電容器電極材料研究進展[J].電源技術，2019，43（2）：354-356.

[2] 董文舉，孔令斌，康龍，等.超級電容器電極材料及器件的柔性化與微型化[J].材料導報，2018，32（17）：2912-2919.