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超级电容器电极膜研究进展
前言
如今全世界都面临着能源枯竭、环境污染等问题，开拓环保低碳的新能源是各国正在努力的方向。在寻找新能源的同时，人们也将研究目标投向了储能设备领域。超级电容器（supercapacitors，SCs）是一种具有高功率密度、高比容量，有较宽的工作温度区间，能够快速充放电，并拥有很长循环寿命的电能储存设备[1]。超级电容器在交通运输、可再生能源、可穿戴设备、工业等领域的应用前景引起了国内外研究学者的广泛关注。电极材料的性能是影响超级电容器性能的关键因素。电极材料包括：碳基材料、金属氧化物、导电聚合物三大类[2]。碳基材料具有较高的功率密度和优异的循环稳定性，但比电容较低。金属氧化物和导电聚合物具有较高的比电容，但功率密度和循环稳定性较低[3.4]。因此，需要将碳基材料与其他材料复合，以制备兼具高比电容、高功率密度、高循环稳定性的超级电容器。
1.超级电容器
超级电容器是由电极、电解液、绝缘膜、集流器等构件组成的电能储存设备[5]。与其他电容器相比，超级电容器主要具有以下优点：（1）功率密度高，为普通电池的几十倍；（2）充放电速度快；（3）比电容高；（4）循环稳定性好；（5）使用温度范围大，可在-40℃到70℃范围内安全使用；（6）使用寿命长；（7）绿色环保。
由于现已使用的超级电容器仍存在能量密度低、循环稳定性差等缺陷，无法满足多种应用需求，因此需要研究制备更高性能的电极材料以提升超级电容器能量密度和循环稳定性等性能[7]。电极材料包括：碳基材料、金属氧化物、导电聚合物三大类[2]。碳基材料包括：活性炭、碳纳米管、碳纤维、石墨烯以及它们的复合物等。金属氧化物主要有MnO2、Mn3O4、Co3O4、Fe3O4、RuO2、SnO2、NiO和ZnO等。导电聚合物主要是聚苯胺PANI、聚吡咯PPy、聚噻吩PTH等。此外还有一些新型超级电容器电极材料，例如金属有机骨架材料(MOFs)、二维过度金属碳(氮)化物(MXenes)、过渡金属氧化物(MN)等。碳基材料具有较高的功率密度和优异的循环稳定性，但比电容较低。金属氧化物和导电聚合物具有较高的比电容，但功率密度和循环稳定性较低。因此，需要将碳基材料与其他材料复合，以制备兼具高比电容、高功率密度、高循环稳定性的超级电容器。金属氧化物与碳基材料的复合方法主要有：溶剂热法、电解沉积法、溶胶-凝胶法、自组装法等方法。导电聚合物与碳基材料的复合方法包括：溶液共混法、原位聚合法、电解沉积法等。
2.碳基材料
碳基材料包括：活性炭、碳纳米管、碳纤维、石墨烯以及它们的复合物等[8]。
2.1碳纤维
碳纤维具有多孔的微观结构，孔道畅通，非常利于电解液离子的扩散和电荷的吸附。同时，碳纤维还具有很好的耐热性、低膨胀性以及优良的化学稳定性、热稳定性。因此，碳纤维是优良的超级电容器电极膜材料。
2.2碳纳米管
碳纳米碳管(CNT)，是管状的纳米级石墨晶体壁碳纳米管易团聚成捆，这是碳纳米管的应用瓶颈。Gao[9]等人将纳米纤维素/多壁碳纳米管悬浮液制成水凝胶，用酒精替代水凝胶中的水，再用超临界气流的二氧化碳干燥，得到纳米纤维素/多壁碳纳米管气凝胶，制备了超级电容器电极膜，以克服这一瓶颈。该电极膜的比电容达到178F·g-1，最大功率密度达到来13.6mW·cm-2，能量密度达到了20mWh·cm-2 。并且该方法是低成本的，也是环保的。
2.3石墨烯
石墨烯是（Graphene）是一种由碳原子组成的二维碳纳米材料。石墨烯具有超高的理论比表面积，高导电性，高化学稳定性与高热稳定性，极好的柔性[10]，因此石墨烯在超级电容器电极材料领域拥有很好的应用前景。然而，石墨烯晶面间的相互作用，以及石墨烯片层之间的范德华力，导致石墨烯片层易于团聚和重新堆叠[11]。此现象降低了石墨烯片的比表面积，影响了电解液离子的扩散，致使超级电容器电化学性能的降低。因此，石墨烯在超级电容器领域应用的关键是阻止石墨烯的团聚与堆叠[12]。
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