碳纖維在柔性超級電容器中的研究進展

2020-08-30 經濟管理那些事

隨著可攜式和可穿戴智能電子產品的快速發展，其對儲能器件的要求越來越高，傳統的超級電容器難以滿足其需求，柔性超級電容器因其具有輕便、可彎折以及良好的循環穩定性，成為新一代有巨大潛力的儲能器件。本文介紹了超級電容器以碳纖維在柔性超級電容器的研究進展，總結了柔性超級電容器存在的問題並提出了展望。


電極材料是決定超級電容器性能好壞的關鍵，如何兼顧活性電極的柔性化和高能量密度是一個難點。碳材料在硬度、光學特性、耐熱性、導電性等方面都優異於其他材料，非常適合作為柔性超級電容器的基礎電極材料。其中碳纖維具有良好的導電、導熱性，以及優異的化學穩定性，受到研究者們的廣泛關注。通過不同的結構設計能夠將電極、電解質、柔性基板更好的結合，一方面能夠保證柔性超級電容器的靈活性，另一方面也能提高柔性超級電容器的儲能。


碳纖維作為一種碳含量在95%以上的新型纖維材料，對比傳統的玻璃纖維，它耐腐蝕性強，質量比金屬鋁輕，強度比鋼鐵高，具有外柔內剛的特點。纖維狀的碳材料如碳布和納米纖維紙等兼顧良好的導電性和柔韌性，常用於製備柔性超級電容器的電極。纖維狀超級電容器具有能量密度低的缺點，這也常常限制了它的應用，碳纖維作為電極材料不例外。

為了提高能量密度可以通過工作電勢窗口、比電容最大化兩種方法。使用有機電解質或者離子電解質可以提高電導率，組裝非對稱超級電容器可以有效提高電勢窗口。MnO3的功函數高達6.9eV，可用作正極，MnO2的功函數4.4eV，可用作負極。由於正負電極功函數相差較大，可以有效增大電勢窗口電壓。對於提高比電容，可以採取與贗電容材料複合，產生贗電容效應，提高電極材料的儲存能力。碳纖維常常作為柔性基底，在其表面沉積生長金屬氧化物或導電聚合物，作為電極材料。研究人員製備了改性氮摻雜碳纖維布電極，展現了優秀的電化學性能，為大規模製備高性能碳纖維電極材料提供了一條簡便而有效的途徑。研究人員通過電沉積法在碳纖維布上生長的鎳-鈷層狀雙氫氧化物，該電極在1A/g的電流密度下具有1540F/g的高比電容。

柔性超級電容器的關鍵在於高性能與良好柔韌性的電極。碳纖維的優異物理化學性能和可編織性，非常適合作為柔性超級電容器的電極。碳纖維電極的問題是能量密度低，可以通過擴大電勢窗口和增大比電容來提高能量密度。碳纖維與不同的金屬氧化物的複合增加了儲存能力，使用有機、離子電解質可以電導率，不同的金屬氧化物功函數不同，組裝非對稱超級電容器可以擴大電勢窗口電壓。

總之，碳纖維等納米碳材料在柔性超級電容器中有著廣闊的應用前景，但仍有一些問題需要思考與解決，如：

（1）柔性超級電容器性能沒有建立統一評判標準。

（2）納米碳材料價格總體偏貴，目前還難以用於工業化生產。

（3）應該不斷探尋新的電化學性能優異的材料；從細微處分析儲能機理，對現有材料進行改進；還可以針對應用場合的不同，對超級電容器結構進行改進。

（本文章觀點及版權屬於原作者，僅供參考。來源：知網）

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