碳纖維基柔性超級電容器電極材料的應用進展

江滔

摘要：超級電容器是一種能夠快速充放電的新型的儲存能量的器件，但有個缺點是能量密度較小。而柔性器件顧名思義，也必須擁有柔性這一品質。本文先從超級電容器著手，介紹了它的幾種分類，來分析有比較高能量密度的超級電容器，接著講述了本次研究內容的應用進展.后又講了幾種制備這種電極材料的方法，最后總結了實際應用中，基于碳纖維基的柔性超級電容器的電極材料的進展。

關鍵詞：碳纖維基;柔性超級電容器;電極材料

一、超級電容器的分類分析

1.按照儲能機理分類

按照機理分為兩種電容器，一種為雙電層的超級電容器，這類電容器在電極材料上面，電極全部使用碳基纖維，不但成本較低，而且產量很高，不會造成浪費，導電能力強，性能穩定，最重要的是環保，因此應用很廣泛。另一種則是至少有一極是贗電容儲能的電極材料的贗電容器。這類電極材料的電容數量級比較高，比平常的高出一到兩級，但因其的循環利用的穩定性能不足，從而沒有進一步發展。

2.按照電極的結構類型分類

按照結構類型分為三類超級電容器。第一類是對稱型超級電容器，組成的兩個電極材料類別，型號以及性能指標都相同。第二類是非對稱型超級電容，組成的兩個電極材料類別，型號以及性能指標都不同。第三類是能量密度接近于傳統電池，電容器的一極是電池型的混合型超級電容器。

3.按照電解溶液分類

按照電解質種的溶液來分，可分為三類電解液式電容器。第一類是將純凈水（蒸餾水）作為溶劑，，利用電解質放入的比例調節電解質的濃度，共分為三種，電解質。即酸性，堿性以及中性。第二類是是將有機電解溶液作為反應溶液的系有機電解溶液超級電容器，此類電容器的成本很高，而且有機電解液本身存在著安全問題。第三類是采用一些堿性物質和鹽，讓其混合凝聚成固態，系全固態超級電容器。

二、碳纖維基柔性電極材料的進展

1.碳基柔性電極材料的特點

在電極部分全部使用碳基的電極材料的雙電層電容器中碳材料的優點是電容值隨著表面積的增長而增長。柔性電極材料可以克服活性物質材料因脫離集流體，不能使電極材料固定在集流體上的缺點，與此同時柔性材料也可以不需采用金屬集流體。柔性電極材料也避免了一些例如粘結劑帶來的負面影響，也可進一步提高超級電容器的性能。因此，將碳基與柔性電極材料結合起來，進一步電子器件研究的進展。

2.碳基柔性電極材料的應用

自超級電容迅速發展后，超級電容器一大重要應用是充電式電動公交車，這則是利用了超級電容器快速充放電的機理和儲能的機理。還有一個重要的應用是無軌電車，電車中加入AC混合型超級電容器。由于碳基材料容易購買到，制備操作過程簡單，能量密度大等優點，如果能與柔性超級電容器結合起來，并且迅速發展起來，將對社會有很大的應用意義。

三、制備電極材料的方法

1.涂覆法

制備過程是將活性物質均勻攪拌后用毛刷涂覆在碳纖維基底上，過程簡單易實現，基底不需要制備成柔性降低制備成本可規模化生產，但這種方法明顯的不足就是活性物質易脫落，降低電極材料的循環穩定性。

2.浸漬法

浸漬法是在溶液中實現的一種方法，首先把活性物質的載體加入溶液中進行攪拌溶解，其次將碳纖維基底放入油活性物質的溶液中浸泡一定時間，具體時間以使碳纖維底含有活性物質即可，從溶液中取出基底，然后利用干燥，鍛燒等手段處理后得到的電極材料為高度分散的載體電極材料優點為制備過程簡捷，也可規模化生產，缺點是浸透不均勻也易脫落。浸漬法只能合成單一的使用面較窄的導電類活性物質。

3.化學氣相沉積法

化學氣相沉積技術是一種常見的化工技術，可以制備無機膜等材料，在制備電極材料時，使用此方法催化或儲備能源，在碳纖維的基底上實現活性物質的沉積，在高溫假加熱的情況下，汽化成粉塵就會得到復合纖維電極材料。優點是沉淀均勻，且具有良好的性能，缺點是制備過程復雜，制成的產物要求較高，生產成本高，卻生產的量很少，商業劃不好實現。

4.溶劑熱法

溶劑熱法是在溶器中加入反應物和溶劑，攪拌后就會形成均勻的溶液，然后把溶液倒入反應瓶中，經過時間、高溫、密封、高壓反應后，將物質結晶。而溶劑熱法中最常見的就是水熱法，這種方法的優點是基底得到的物質性能好且均勻。造出的超級電容器性能較高，可以滿足市場需求，但不足是商業化不好實現，成本要求高卻產量很低，所以這種方法研究材料時常用于實驗室研究。

5.電化學沉積法

電化學沉積法在工業上應用廣泛，是一門成熟的技術，利用此方法可以制備各種用于催化或能源儲備的材料，制備過程中使用電化學法沉積出電極材料，基底得到的活性物質分布均勻，性能高，成本低，容易實現。

6.真空抽濾法

真空抽濾法是用抽氣泵抽出附在基底或填充在其底間空隙中的薄膜的方法。影響電容材料的重要因素就是基底分布活性物質的均勻性，此方法的優點是基底不需要制備成柔性、降低制備成本，但操作難度比涂覆法難度大，但基底的活性物質卻不易脫落.缺點是分布在基度的活性物質不均勻，不可規模化生產，生產的量也較少

7.靜電噴涂法

靜電噴涂法是將活性物質在靜電作用下噴涂在碳纖維的基底的表面上，操作過程簡單，直接生成膜但是噴涂不均勻會使基底上的話性物質不均習分布，也不穩定.易脫落。同時也可以直接制備，不需要成服。

8.濕法紡絲法

濕法紡絲簡稱濕紡，將紡絲原液凝固成細流形成初生纖維，再進行卷裝的方法。用濕法紡絲法制備出來的纖維可以拉伸較長且柔韌性也非常好，這些纖維也可以編制和打結。該法的優點可以將漿料直接紡成絲史店及柔性化制備過程中，操作也很簡單，生產成本不高，可規模化生產，但不能同時制備多根纖維，而且纖維的強度很低。

9.靜電紡絲法

靜電紡絲法是在注射器中加入聚合物溶液，在加入強電場后，注射器的針頭部位出現圓錐形的液滴，將液滴拉伸得到纖維細絲，將這些纖維細絲粘覆在鋁箔或錫箔或者接收器中。一般制成的纖維的直徑為十微米，但通過這種方法制成的直徑可以達到納米級，所以使用這種技術制備出身纖維，這種方法可以直接制成膜，也可以用碳處理后直接用作柔性電極。從而用碳纖維基底制備出具有柔性性能的超級電容器的電極材料。

四、結論

目前，隨著電子產品市場需求的增長，超級電容器是一種能夠快速充放電的新型的儲存能量的器件，但本身卻獨有一點不足就是能量密度較小。而柔性器件顧名思義，也必須擁有柔性這一特殊的品質。本文先從超級電容器著手，介紹了按照儲能機理，電極的結構類型以及電解溶液分類，來分析有比較高能量密度的超級電容器，接著講述了本次研究內容的應用與進展后又講了涂覆法，浸漬法等九種制備這種電極材料的方法，最后總結了在實際應用中，基于碳纖維基的柔性超級電容器的電極材料的進展。