能源材料专题 电化学超级电容器电极材料的研究进展 张熊马衍伟 (中国科学院电工研究所北京100190 摘要超级电容器是一种利用电化学双电层储能或在电极材料表面及近表面发生快速可逆氧化还原反应而储 能的装置,具有高的比功率、比能量和长的循环寿命.文章综述了超级电容器电极材料的储能机理、特点及应用,并重 点介绍了石墨烯、二氧化锰及其复合电极材料在超级电容器中应用的最新研究进展 关键词超级电容器,电极材料,石墨烯,二氧化锰,复合材料 Recent advances in the development of electrode materials for supercapacitors ZHANG Xiong MA Yan-Wei (Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China Abstract Supercapacitors are energy-storage devices which obtain energy from the electrochemical doub- le-layer or the redox-type reactions at or beyond the surface of the electrode. They possess high power den sity and energy density, and have a long life cycle. This review will survey the fundamental principles characteristics and applications of electrode materials for supercapacitors, with special emphasis on the re- cent progress of research on graphene, manganese oxide and their composites as electrode materials Keywords supercapacitors, electrode materials, graphene, manganese oxide, composite 认为是支撑可再生能源普及的战略性技术,得到各 1引言 国政府和企业界的高度关注 超级电容器( supercapacitors或 ultracapaci- 随着全球气候变暖,资源匮乏,生态环境日益恶tors),又称电化学电容器( electrochemical capa 化,人类将更加关注太阳能、风能等清洁和可再生的tors)-3,它是一种介于常规电容器与二次电池之 新能源.但是,可再生能源(主要包括风能、太阳能)间的新型储能器件(见图1),同时兼有常规电容器 的本身特性决定了这些发电的方式和电能输出往往功率密度大和二次电池能量密度高的优点此外,超 受到季节、气象和地域条件的影响,具有明显的不连级电容器还具有对环境无污染、效率高、循环寿命 续性和不稳定性,如太阳能可以在晴天发电,而在阴长、使用温度范围宽、安全性高等特点.超级电容器 天和晚上就无法工作,风能发电也同样受到时间和在新能源发电、电动汽车、信息技术、航空航天、国防 气象的影响.也就是说,可再生能源发出的电能波动科技等领域中具有广泛的应用前景如超级电容器 较大,可调节性差,从而为可再生能源的大规模利用用于可再生能源分布式电网的储能单元,可以有效 带来了诸多问题,如果接入电网,电网的稳定性将受提高电网的稳定性.单独运行时,超级电容器可作为 到影响.要解决这一问题,必须发展配套的高效储能太阳能或风能发电装置的辅助电源,可将发电装置 装置,以解决发电与用电的时差矛盾以及间歇式可 再生能源发电直接并网时对电网的冲击.同时,储能 中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2YWW26)、国 家自然科学基金(批准号:21001103)资助项目 技术在离网的太阳能、风能等可再生能源发电应用 2011-03-02收 中也具有至关重要的作用.目前,高效储能技术已被+通讯联系人,Emal1ywma@ mail iee, ac.cm http://www.wuli.ac.cn 物理·40卷(2011年)10期http:飋飋www.wuli.ac.cn 物理·40卷 (2011年)10期 电化学超级电容器电极材料的研究进展* 张 熊 马衍伟昄 (中国科学院电工研究所 北京 100190) 摘 要 超级电容器是一种利用电化学双电层储能或在电极材料表面及近表面发生快速可逆氧化还原反应而储 能的装置,具有高的比功率、比能量和长的循环寿命.文章综述了超级电容器电极材料的储能机理、特点及应用,并重 点介绍了石墨烯、二氧化锰及其复合电极材料在超级电容器中应用的最新研究进展. 关键词 超级电容器,电极材料,石墨烯,二氧化锰,复合材料 Recentadvancesinthedevelopmentofelectrodematerials forsupercapacitors ZHANG Xiong MA Yan灢Wei 昄 (InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China) Abstract Supercapacitorsareenergy灢storagedeviceswhichobtainenergyfromtheelectrochemicaldoub灢 le灢layerortheredox灢typereactionsatorbeyondthesurfaceoftheelectrode.Theypossesshighpowerden灢 sityandenergydensity,andhavealonglifecycle.Thisreview willsurveythefundamentalprinciples, characteristicsandapplicationsofelectrodematerialsforsupercapacitors,withspecialemphasisonthere灢 centprogressofresearchongraphene,manganeseoxideandtheircompositesaselectrodematerials. Keywords supercapacitors,electrodematerials,graphene,manganeseoxide,composite * 中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2灢YW灢W26)、国 家自然科学基金(批准号:21001103)资助项目 2011-03-02收到 昄 通讯联系人.Email:ywma@mail.iee.ac.cn 1 引言 随着全球气候变暖,资源匮乏,生态环境日益恶 化,人类将更加关注太阳能、风能等清洁和可再生的 新能源.但是,可再生能源(主要包括风能、太阳能) 的本身特性决定了这些发电的方式和电能输出往往 受到季节、气象和地域条件的影响,具有明显的不连 续性和不稳定性,如太阳能可以在晴天发电,而在阴 天和晚上就无法工作,风能发电也同样受到时间和 气象的影响.也就是说,可再生能源发出的电能波动 较大,可调节性差,从而为可再生能源的大规模利用 带来了诸多问题,如果接入电网,电网的稳定性将受 到影响.要解决这一问题,必须发展配套的高效储能 装置,以解决发电与用电的时差矛盾以及间歇式可 再生能源发电直接并网时对电网的冲击.同时,储能 技术在离网的太阳能、风能等可再生能源发电应用 中也具有至关重要的作用.目前,高效储能技术已被 认为是支撑可再生能源普及的战略性技术,得到各 国政府和企业界的高度关注. 超 级 电 容 器 (supercapacitors 或 ultracapaci灢 tors),又 称 电 化 学 电 容 器 (electrochemicalcapaci灢 tors)[1—5],它是一种介于常规电容器与二次电池之 间的新型储能器件(见图1),同时兼有常规电容器 功率密度大和二次电池能量密度高的优点.此外,超 级电容器还具有对环境无污染、效率高、循环寿命 长、使用温度范围宽、安全性高等特点.超级电容器 在新能源发电、电动汽车、信息技术、航空航天、国防 科技等领域中具有广泛的应用前景.如超级电容器 用于可再生能源分布式电网的储能单元,可以有效 提高电网的稳定性.单独运行时,超级电容器可作为 太阳能或风能发电装置的辅助电源,可将发电装置 ·656· 能源材料专题