基于碳納米纖維以及摻有一些有機(jī)添加劑和試劑的活性炭系統(tǒng)制造的超級(jí)電容器最近成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。超級(jí)電容器或電化學(xué)電容器因其優(yōu)異的功率密度和長(zhǎng)期循環(huán)能力而備受關(guān)注。超級(jí)電容器憑借其獨(dú)特的性能在電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車(chē)和便攜式設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。
例如，電動(dòng)汽車(chē)需要高電流消耗率下的高功率，另一方面，存儲(chǔ)器備份系統(tǒng)需要較低電流消耗率下的高能量密度。因此，必須選擇設(shè)計(jì)超級(jí)電容器的潛在材料以滿足上述特定應(yīng)用。事實(shí)上，電解質(zhì)和電極是超級(jí)電容器的主要組成部分，在電極和電解質(zhì)的界面上儲(chǔ)存電荷。超級(jí)電容器的性能很大程度上受到給定電極和電解質(zhì)表面積的影響。材料性質(zhì)、表面積、孔徑分布、表面基團(tuán)和電極厚度是對(duì)給定超級(jí)電容器性能影響可忽略不計(jì)的電極特性。眾所周知，碳材料因其低成本、化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及可用的器件形態(tài)而被廣泛用作電子材料。碳納米纖維的納米級(jí)管狀形態(tài)提供了一種獨(dú)特的組合，具有優(yōu)異的孔隙率以及基于其結(jié)構(gòu)的電阻率。
什么是超級(jí)電容器？
超級(jí)電容器是一種具有高容量的電容器，可以超過(guò)電壓限制并彌補(bǔ)可充電電池和電解電容器之間的差距。與電解電容器等其他電容器相比，典型的超級(jí)電容器每單位體積或質(zhì)量可存儲(chǔ)多10至100倍的電能，并且能夠比電池更快地接受和傳遞電荷，并且能夠在多個(gè)充電和放電周期中使用可充電電池。超級(jí)電容器已在眾多充電/放電循環(huán)中得到應(yīng)用，用作長(zhǎng)期儲(chǔ)能裝置，例如火車(chē)、公共汽車(chē)、汽車(chē)、電梯等中使用的儲(chǔ)能裝置，用于有限存儲(chǔ)范圍的再生制動(dòng)。在這種情況下，較小的單元被應(yīng)用于靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的備用電源。盡管與普通電容器不同，超級(jí)電容器并不使用固體電介質(zhì)，而是依靠靜電雙層電容和電化學(xué)贗電容運(yùn)行，兩者都能夠?qū)﹄娙萜鞯目傠娙葑龀鲐暙I(xiàn)，但略有差異。
超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)與制造
超級(jí)電容器傳統(tǒng)上是使用液體電解質(zhì)制造的，這種電解質(zhì)很容易泄漏，并且由于尺寸較小而無(wú)法使用。這種趨勢(shì)促進(jìn)了固態(tài)和凝膠電解質(zhì)的研究。因此，必須基于定制由新型碳基電材料（包括石墨烯、氧化物石墨烯、碳納米管，更具體地，碳納米纖維）組成的電解質(zhì)來(lái)制造增強(qiáng)型儲(chǔ)能裝置。從技術(shù)上講，石墨烯或石墨碳可以直接在硅表面上制造，具有設(shè)計(jì)能夠嵌入集成系統(tǒng)的片上超級(jí)電容器的巨大潛力。迄今為止的研究表明，存在一種簡(jiǎn)單的途徑可以顯著提高基于電池電解質(zhì)設(shè)計(jì)的超級(jí)電容器的質(zhì)量和性能，這是制造準(zhǔn)固體（凝膠）超級(jí)電容器的關(guān)鍵。這種正在進(jìn)行的方法提出了一種新技術(shù)，可以開(kāi)發(fā)高度小型化的片上能源系統(tǒng)，完美緊湊的電子設(shè)備，并滿足對(duì)高質(zhì)量能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求。
用于高效超級(jí)電容器的碳納米纖維和活性炭
碳納米纖維是由排列成堆疊石墨烯層的堆疊體的石墨烯層制成的納米結(jié)構(gòu)圓柱形碳。碳的化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)得到充分和完美的研究，并且作為一種已知具有化學(xué)鍵靈活性的材料，為穩(wěn)定的無(wú)機(jī)和有機(jī)分子參與反應(yīng)創(chuàng)造了可用的位點(diǎn)。碳納米纖維的合成涉及催化化學(xué)氣相沉積作為最常見(jiàn)的商業(yè)技術(shù)。事實(shí)上，碳被列為一類重要的基于石墨的材料，與碳納米纖維密切相關(guān)。考慮到其結(jié)構(gòu)和性能，碳纖維自20世紀(jì)60年代以來(lái)一直在工業(yè)上進(jìn)行研究和制造，并作為先進(jìn)應(yīng)用航空航天運(yùn)動(dòng)、電子設(shè)備建筑行業(yè)和汽車(chē)制造行業(yè)的潛在材料，在商業(yè)和技術(shù)上引起了廣泛關(guān)注。從化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)看，碳納米纖維可以引入Sp2雜化的線性長(zhǎng)絲，直徑約為100納米，具有優(yōu)異的柔韌性。納米纖維廣泛應(yīng)用于日常應(yīng)用，主要是因?yàn)槠涓弑缺砻娣e、機(jī)械強(qiáng)度以及設(shè)計(jì)剛性復(fù)合材料、汽車(chē)制造和航空航天技術(shù)的靈活性。除了碳納米纖維之外，活性炭材料也因其低成本、豐富、優(yōu)異的充放電循環(huán)、高穩(wěn)定性和孔隙率而適用于超級(jí)電容器。因此，用碳納米纖維和活性炭材料制造用于超級(jí)電容器的電極需要包含聚四氟乙烯PTFE、聚偏二氟乙烯和聚偏二氯乙烯等粘合劑，以保持定義的鍍覆電極的完整性。
基于碳納米纖維的超級(jí)電容器設(shè)計(jì)
通過(guò)再結(jié)晶方法和沉淀將氧化釕（RuO2）納米棒與碳納米纖維結(jié)合，以研究超級(jí)電容器的電容行為。與熱處理相關(guān)的再結(jié)晶在高達(dá)300°C的高溫和最佳生長(zhǎng)條件下精確地進(jìn)行。該電極材料在氫氧化鉀水溶液中表現(xiàn)出良好的電容器性能。
基于柔性聚苯胺與碳納米纖維的復(fù)合材料已用于制造超級(jí)電容器電極。在該應(yīng)用中，柔性碳是通過(guò)溶膠凝膠加工和靜電紡絲技術(shù)制備的，并通過(guò)化學(xué)聚合涂覆聚苯胺，通過(guò)設(shè)計(jì)用于電容器的電極來(lái)改善電化學(xué)性能。這種柔性電氣材料在對(duì)稱超級(jí)電容器電池中進(jìn)行了研究，具有高電容和相當(dāng)大的循環(huán)穩(wěn)定性，并且在1000個(gè)充電周期內(nèi)電容保持率高達(dá)近90%。
基于碳納米纖維和活性炭，一些對(duì)稱電容器可以與在水性電解質(zhì)中進(jìn)行的聚偏二氟乙烯聚合物粘合劑結(jié)合制造。在此應(yīng)用中，電極在沒(méi)有集電器的情況下組裝在電化學(xué)電池中。碳納米纖維和碳活化基電極具有優(yōu)異的孔隙率。根據(jù)結(jié)果，使用具有低測(cè)量等效電阻的碳納米纖維實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的導(dǎo)電性。碳納米纖維似乎可以提供理想的比功率和良好的電容行為。
結(jié)論
當(dāng)今市場(chǎng)上超級(jí)電容器的商業(yè)化生產(chǎn)基于具有理想的高表面積的碳材料。有利于商業(yè)應(yīng)用的超級(jí)電容器被用作激活器的電源、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器設(shè)備的備用電源以及長(zhǎng)期恒定電路和通信設(shè)備的元件。它們被認(rèn)為是電池的最佳替代品，電池通常是低功耗設(shè)備，而不是像超級(jí)電容器那樣具有電容性。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，碳納米纖維被認(rèn)為是設(shè)計(jì)電極并隨后實(shí)現(xiàn)具有良好性能的超級(jí)電容器的重要碳材料。
