超级电容器先进电极材料的可控制备及电化学性能研究

超级电容器先进电极材料的可控制备及电化学性能研究

张越  

锦州凯美能源有限公司   辽宁省  121000

摘要：现阶段，社会在飞速发展的同时，能源问题及环境问题愈发严重，影响了社会的可持续发展，必须找寻和开发可再生清洁能源中，如风能、太阳能等。在新能源的开发利用中，必然会涉及和需要各种储能装置，其中，超级电容器凭借功率密度大、充放电快速、循环寿命长以及安全可靠等优势被广泛。但是结合当前商业超级电容器的发展情况来看，存在的弊端较多，能量密度低且无法满足电站调峰等要求，所以应该研发高能量密度的超级电容器，将超级电容器能量密度问题彻底解决。对此，本文将超级电容器为研究对象，分析了先进电极材料的可控制备，并对其电化学性能展开深入剖析。

关键词：超级电容器；先进电极材料；可控制备；电化学性能

引言

在当今社会发展过程中，大自然中的太阳能、风能、潮汐能等被人们广泛应用，由此满足电能供应要求。而实现这一过程需要转换以储存电能的装置，发明以及开创与之相关的技术，是当前社会发展中面临的主要问题。在具体应用过程中，锂离子电池、燃料电池以及电化学电容器等是现阶段电化学转化和储能的常用装置，其中超级电容器的应用最为广泛。相比于普通电池，超级电容器功率密度高、循环寿命长、绿色高效，可以适应极端环境，因此在今后研究中，应该加强对超级电容器先进电极材料的研究，深入分析其电化学性能。

1超级电容器先进电极材料的特点

超级电容器是当前发展较为成熟的电化学储能器件，介于电池和传统电容器之间，属于一种较为特殊的电源。在大电流、数据备份等领域中应用广泛。与传统的储能设备相比，超级电容器的功率密度大，通过在电极表面或者近表面存储以及释放电子，充放电过程不会被电化学活性物质内部传递所干扰，所以电子的储存以及释放过程效率快，是普通电池的5~10倍左右，可以为大功率的设备提高最大电流。同时超级电容器的充放电效率高，电池内部存在不完全放电情况，通过借助超级电容器，凭借内部的稳定性以及电极材料的高度可逆性，让电容器充放电效率整体提升。超级电容器的使用寿命超过10万次，而当其市场上所应用的电池使用寿命只有150～2000次，结合超级电容器的储存机理可以看出，其具有较长的使用说明，理论上能够达到无限次循环的效果，并且与传统的电容器相比，超级电容器的充电速度快，自身结构可以承受大电流，充电几十秒便可以完成充电[1]。最为重要的是，超级电容器的安全系数高，不需要对设备展开定期维护，应用绿色材料及电解液，延长使用寿命，从而让整个运行过程安全、可靠、稳定。

2超级电容器先进电极材料的可控制备及电化学性能

高性能超级电容器可以将当前能源以及环境问题有效解决，特别是在强度高、低温环境等情况下，通过对超级电容器的使用，能够提高工作效率。超级电炉器由两电极、电解质等组合而成，其中，电极机材料对器件性能的影响最大。在本次研究中，对一步水热法泡沫镍原位生长NiCo2O4电极材料及其性能展开重点分析，在实际分析过程中，为保证材料的ESR值以及Rct值能整体降低，对电极材料的制备过程进行优化，主要通过对水热法，直接将活性的材料原位生长在泡沫镍上，将泡沫镍独特的三维结构留下来[2]。

2.1 超级电容器先进电极材料的可控制备

在对超级电容器先进电极材料制备期间，先剪裁泡沫镍，面积具体为1×1cm2，利用丙酮、无水乙醇、3M盐酸、去离子水等，超声十分钟左右，将泡沫镍的表面的氧化层去除。处理完毕后放在真空干燥箱内，温度控制在60℃，干燥的时间为一整夜。同时将CoCl2、NiCl2以及尿素在去离子水中溶解，含量为0.8mmol、0.4mmol、0.8mmol，去离子水的含量为30mL，搅拌均匀，当溶液透明且均匀后可停止。拿出已经干燥的泡沫镍，与混合溶液一起放到聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，含量为50mL，温度为120℃，水热反应的时间控制在6h。当温度冷却到室温后，将泡沫镍取出并超声，保证泡沫镍表面上残留的颗粒和粉末等清除干净，进行干燥过夜，温度为60℃。当泡沫镍长出活性物质之后，放在马弗炉内煅烧，温度为300℃，速度为2℃/min，时间为180min。

2.2 电化学测试

通过水热以及煅烧，将NiCo2O4原位生长在泡沫镍上，利用超声处理的方式获得电极片，面积为1×1cm2，最后组装成电极开展电化学式测试。

2.3 超级电容器先进电极材料的电化学性能

通过图1可以看出，扫描的电位范围是-0.2～0.5V，速率从5mVs-1变成50mVs-1。当电位扫描速率在5mVs-1的时候，在0.25～0.15V的电位位置，有明显的氧化还原峰，峰电位随着扫描的速度增加，变化速度较快[3]。此时，阳极峰和阴极峰的电位分别进行正义移和负移。由此表现出准可逆的法拉第行为。在扫描速率的进一步提升下，曲线的对称性不会发生太大变化，这一些情况充分表明，电极材料的子啊电化学反应期间，可逆性良好。扫描速率的不断增大，曲线的对称性会随之下降，这一情况主要因为扫描的速率持续增大，电极表面的活性物质无法实现可逆，不能进行氧化还原反应，最终在电极表面有明显的极化现象发生。

图 1 NiCo2O4电极的循环伏安曲线

在应用电极材料期间，循环稳定性对其使用寿命有直接影响。因此在研究中，开展了3000圈的循环稳定性测试，最终结果如图2所示。经过循环，电容保持率在85.4%，稳定性好，主要与活性物质和集流体直接接触有关，并且在电化学反应期间，电子可以高效率传输。

结束语：

综合而言，在能源以及环境不断恶化的新时期下，必须加强对可再生清洁能源的开发与利益。在能源开发运用期间，需要各种储能装置支持，而超级电容器便在其中发挥重要作用。所以今后研究以及发展过程中，应该加强对超级电容器电极材料的研究，明确其电化学性能，保证材料的作用能发挥到最大，提升储能量和效率。

参考文献：

[1]张育新，张泽宇，姜德彬.二氧化锰基超级电容器电极材料的可控制备及赝电容性能研究[J].中国科技成果，2022（22）：3.

[2]金欣，陈祉安，孙赛，等.基于聚薁胺的全固态超级电容器性能[J].功能高分子学报，2021，34（05）：7.

[3]黄文欣，李军，徐云鹤.二氧化锰基超级电容器的研究进展[J].材料导报，2021，32（24）：10.