超級電容電池用炭類負極材料的研究進展-瑞達國際集團

　　超級電容電池用炭類負極材料的研究進展

　　超級電容電池是具有高能量密度和高功率密度的新型儲能器件，對其負極材料的研究主要集中在炭材料上。分析了超級電容電池用炭類負極的工作原理，綜述了可用作超級電容電池負極的活性炭/石墨復合材料和三維炭材料的制備方法與電化學性能，分析了現(xiàn)行超級電容電池用炭類材料研究中的不足，指出超級電容電池用炭類負極材料的研究重點應集中在對其儲能機理進行深層次研究。采用量子化學計算方法研究炭材料結構與性能的關系也是未來研究的一個重點。

　　1超級電容電池簡介

　　超級電容電池是指兼具雙電層電容儲能和鋰離子脫/嵌儲能的一種新儲能器件，具有高能量密度和高功率密度，可望在特種航天、特種特種、電動車輛、電子信息和儀器儀表等急需兼具高能量密度、高功率密度等性能儲能器件的領域得到廣泛應用。目前對超級電容電池儲能器件的研究逐漸成為熱點。

　　作為超級電容電池關鍵材料之一的負極材料應兼具鋰離子電池負極材料和超級電容器電極材料的特點。迄今為止，在鋰離子二次電池負極材料和超級電容器負極材料中，炭材料是唯一商業(yè)化的，而且在新型、高性能開發(fā)方面仍具很大發(fā)展空間，因此，炭材料仍然是鋰離子二次電池負極材料和超級電容器負極材料研究領域的熱點之一。選擇來源廣泛、價格便宜、性能優(yōu)良的炭類材料作為超級電容電池的負極材料具有廣闊的應用前景。

　　目前專門針對超級電容電池用炭類負極材料的研究比較少，但是已有文獻報道采用一定的方法制備出兼具優(yōu)異雙電層電容性能和鋰離子電池性能的炭材料。本文主要綜述了兼具雙電層電容和鋰離子電池性能的炭材料的研究現(xiàn)狀，指出了這些材料目前存在的不足，并分析了超級電容電池用炭類負極材料未來的研究方向。

　　2超級電容電池用炭類負極材料的研究進展

　　為了滿足鋰離子脫/嵌儲能，作為超級電容電池的負極應該滿足:在鋰離子的嵌入反應中自由能變化小，鋰離子在負極的固態(tài)結構中有高的擴散率、高度可逆的嵌入反應和良好的電導率，熱力學性能穩(wěn)定并與電解質不發(fā)生反應。同時為了滿足良好的雙電層儲能，作為超級電容電池的負極，還應具有良好的電化學穩(wěn)定性、合適的孔結構與比表面積、較高的電位窗口等性能，以保證其在高電壓電池系統(tǒng)里具有良好的性能，特別是大倍率性能。目前的研究主要分為兩類:一類是根據(jù)活性炭滿足雙電層儲能，石墨插層化合物滿足鋰離子脫/嵌儲能，將活性炭與石墨插層化合物復合;另一類是根據(jù)雙電層儲能和鋰離子脫/嵌儲能對不同炭孔徑的要求，利用不同的模板方法制備出三維孔徑的炭材料。

　　2.1活性炭與石墨復合材料

　　活性炭是超級電容器最早采用的炭電極材料，也是目前研究得最多的一種電極材料。作為超級電容器電極材料，活性炭的優(yōu)越性在于其具有良好的導電性、超高的比表面積(達2000m2/g以上)、可調控的孔系結構。此外，活性炭還具有原料豐富、價格低廉、加工性能好、化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點。在鋰離子電池用炭負極材料中，石墨插層化合物(GIC)應用最為成功，與其它嵌入材料相比，該炭材料具備較高的法拉第容量、高循環(huán)效率和低電化學電位。目前，GIC類負極材料中中間相炭微球(CMS)由于其球形的顆粒和高度有序的層面堆積結構，有利于鋰離子從球的各個方向嵌入和脫嵌，避免了其他石墨類材料由于各向異性過高引起的石墨片溶漲、塌陷和循環(huán)性能不佳的缺陷。CMS以其優(yōu)越的特性成為目前長壽命鋰離子電池及動力電池所使用的主要負極材料之一。李劼等將活性炭與CMS復合制備的新型負極材料，在鋰離子電池中其比容量達301.2mA·h/g，在超級電容器中其比容量達25F/g，電位窗口提高至3.5VvsLi/Li+，能量密度提高至40.3W·h/kg。因為外層包覆的炭材料還有望對內層CMS進行保護，有效防止溶劑化鋰離子與有機溶劑的共嵌入對CMS層間的破壞，具有較好的電池特性。