高性能超级电容器电极材料的原位表征研究进展 JECHEM1363汪小兰(译) 摘要:在过去的几十年里,纳米尺度上优化的电极材料,让超级电容器的性能 有了极大的提高。然而,对电荷在电极内部的高效存储或在电极电解质表面的 高效转移仍旧缺乏理解。由于仅用实验或计算来研究涉及离子的物理和化学过 程很难实现,因此,结合先进分析技术与电化学测试,如发展原位表征,在更 好地理解超级电容器电极中的离子行为上极具前景。在这里,我们简要地回顾 了几种典型的原位技术以及这些技术揭示的超级电容器中电荷存储的机制,以 及高性能电极材料可能的设计策略。 关键字:双电层电容器;赝电容:原位技术;电荷存储机制 1.介绍 由于全球经济的快速增长,化石燃料的消耗量显著增加,这加速了化石燃 料的枯竭以及环境的恶化。而由太阳和风等产生的可再生能源以及具有低COz 排放量的电动汽车已受到广泛关注,为此,储能系统有望用作电源的基本单 元。在这个前提下,电池以及电化学电容器被认为是两个重要的能源存储设 备。电化学超级电容器,也称为超级电容器,是一种典型的具有高功率密度以 及长循环寿命的器件。根据工作机理划分,超级电容器可分为双电层电容器 ( EDLCS)(其工作机理主要是离子在电极上的物理吸附),以及赝电容电容器 (其工作机理是电极发生可逆的氧化还原反应) 在探讨电极对超级电容器性能的重要性时,已经充分考虑了通过制备新型 电极材料或通过加工技术来改善当前的电极材料,以改善超级电容器的性能。 在各种材料中,由于碳材料密度低、电导率高、比表面积(SSA)高以及化学 稳定性好,已硏究了诸如活性炭、碳纳米管、碳化物衍生碳以及石墨烯等碳材 料作为EDLC的电极材料。相比之下,金属氧化物以及导电聚合物表现出赝电 容且具有容量大、成本低、易于制备、重量轻以及柔性高等特点而受到广泛的 关注。最近,除了石墨烯以外的二维(2D)材料,例如 Mene,也引起了广泛 的关注。作为超级电容器材料, Mene材料具有高导电率和高的氧化还原表 面。表1列出了最新的电极材料在比电容和循环寿命方面的性能,并标明了测 试方法。我们可以看到导电聚合物的比容量比碳材料高得多,但是通常扫描速 率低且循环寿命有限。而另外一方面,碳材料可承受髙的扫描速率,具有长循 环寿命,但是容量比较低,在水系电解质中比容量通常低于400F/g,在有机电 解液中低于200F/g。 MEne以及相关的复合材料具有高达1000F/m3的体积高性能超级电容器电极材料的原位表征研究进展 JECHEM 1363 汪小兰（译） 摘要：在过去的几十年里，纳米尺度上优化的电极材料，让超级电容器的性能 有了极大的提高。然而，对电荷在电极内部的高效存储或在电极电解质表面的 高效转移仍旧缺乏理解。由于仅用实验或计算来研究涉及离子的物理和化学过 程很难实现，因此，结合先进分析技术与电化学测试，如发展原位表征，在更 好地理解超级电容器电极中的离子行为上极具前景。在这里，我们简要地回顾 了几种典型的原位技术以及这些技术揭示的超级电容器中电荷存储的机制，以 及高性能电极材料可能的设计策略。 关键字：双电层电容器；赝电容；原位技术；电荷存储机制 1. 介绍 由于全球经济的快速增长，化石燃料的消耗量显著增加，这加速了化石燃 料的枯竭以及环境的恶化。而由太阳和风等产生的可再生能源以及具有低 CO2 排放量的电动汽车已受到广泛关注，为此，储能系统有望用作电源的基本单 元。在这个前提下，电池以及电化学电容器被认为是两个重要的能源存储设 备。电化学超级电容器，也称为超级电容器，是一种典型的具有高功率密度以 及长循环寿命的器件。根据工作机理划分，超级电容器可分为双电层电容器 （EDLCs）（其工作机理主要是离子在电极上的物理吸附），以及赝电容电容器 （其工作机理是电极发生可逆的氧化还原反应）。 在探讨电极对超级电容器性能的重要性时，已经充分考虑了通过制备新型 电极材料或通过加工技术来改善当前的电极材料，以改善超级电容器的性能。 在各种材料中，由于碳材料密度低、电导率高、比表面积（SSA）高以及化学 稳定性好，已研究了诸如活性炭、碳纳米管、碳化物衍生碳以及石墨烯等碳材 料作为 EDLC 的电极材料。相比之下，金属氧化物以及导电聚合物表现出赝电 容且具有容量大、成本低、易于制备、重量轻以及柔性高等特点而受到广泛的 关注。最近，除了石墨烯以外的二维（2D）材料，例如 Mxene，也引起了广泛 的关注。作为超级电容器材料，Mxene 材料具有高导电率和高的氧化还原表 面。表 1 列出了最新的电极材料在比电容和循环寿命方面的性能，并标明了测 试方法。我们可以看到导电聚合物的比容量比碳材料高得多，但是通常扫描速 率低且循环寿命有限。而另外一方面，碳材料可承受高的扫描速率，具有长循 环寿命，但是容量比较低，在水系电解质中比容量通常低于 400 F/g，在有机电 解液中低于 200 F/g。MXene 以及相关的复合材料具有高达 1000 F/cm3 的体积