FePx纳米结构的可控制备及其超级电容器性能研究文献综述

 2022-11-04 10:11

近年来,化石能源的消耗对全球经济和生态造成了严重的影响,电化学能源设备被广泛认为是一种替代能源[1],在众多电化学能量储存和转换设备中,超级电容器[2][3],作为一种新能源设备,很快成为研究者广泛关注的储能器件。它的优点是:使用寿命长、充电时间短、节约能源、绿色环保、温度特性好[4]。被称为电容的原因是其放电特性与静电电容更为接近,既有电池的电荷存储能力,又有静电电容高的放电功率。这使得超级电容器能在多领域的电子设备中使用,如电脑,手机,数码照相机,电动机等。目前,超级电容器的发展已经逐渐成熟,人们在加紧探寻其更广的应用范围,市场前景十分广阔。

1.1超级电容器的分类和工作原理

根据储存电能机理的不同,超级电容器可以分为三类:电化学双电层电容器、法拉第准电容器以及混合超级电容器[5,6]。各类超级电容器的储能原理如下:

(1)电化学双电层电容器:和普通的电容器相同,基于双电层原理[7],当外加电压施加到两个极板上,正电荷被储存在正电极,负电荷被储存在负极板,在电场作用下,电容器的两个极板上产生电荷,相反的电荷在电解液和电极间界面上形成,这样电解液的内电场就可以被平衡,也就是说,静电荷在电极表面吸附离子从溶液中,这些离子在电极或是溶液界面一侧,一定距离处排成一排于电极表面,形成一个界面层,在界面层中,电荷数量与电极表面剩余的电荷数量相等,但是符号相反,因此电容量非常大。充电过程是伴随着两侧电荷减少发生的,放电则是相反,由此可以知道,对于双电层电容器来说,充放电过程,不发生化学反应,从始至终都是物理过程,所以性能稳定,这就是与蓄电池利用化学反应的不同之处。

Figure 1.双电层原理示意图

(2)法拉第赝电容[8]:它是由贵金属和金属氧化物组成,产生电容的机理是:电活性离子发生欠电位沉积在金属表面,或者是发生氧还反应产生的吸附电容,和双电层电容器机制不同,它是伴随着电荷传递过程,一般来说它的比电容更大一些。在外加电场的作用下,电解液中的离子,由溶液中扩散到电极/溶液界面,进入到电极表面活性物质的体相中是通过界面化学反应进行的,这个过程称之为化学吸附。一般来说,电极材料的选择都是比表面积较大的氧化物,所以发生很多的电化学反应,电荷被大量储存在电极中,放电时氧化物中的离子又重新回到电解液中,储存好的电荷是再通过外电路被释放出来。法拉第赝电容和双电层电容器的主要不同是:在充电的过程中双电层电容器需要消耗电解液;在整个充电过程,法拉第赝电容使用的电解液浓度保持稳定,既发生在电极的表面,又在整个电极的内部,所以,法拉第赝电容比双电层电容有高的比电容和能量密度。

(3)混合超级电容器可分为对称和非对称型两种,对称型超级电容器的正负极材料的电化学储能机理相同或相近,如碳/碳双电层电容器,Mn02/Mn02电容器,反之则为非对称型超级电容器。非对称超级电容器的正负极是用两种不同的材料制成的,其原理为:一个电极通过活性炭的大量孔隙对电解质溶液进行物理吸附,形成双电层电容;而另一电极在导电聚合物、过渡族金属氧化物表面发生可逆的吸附脱附或者氧化还原反应来储存能量,形成法拉第准电容,它同时拥有双电层电容器和电池的特征,使得设备适用的工作电压更高。通过组合两种不同的电容制成的电容器不仅能大幅度的提高工作电压,更有意义的是电容器的功率密度和能量密度都有很大程度的提高。目前主要有2种组合方式被广泛运用:(1)炭与金属氧化物组合;(2)炭与锂离子型材料的组合。NiOOH,PbO2和多种导电聚合物是当今被广泛研究的混合型电容器正极材料,活性炭由于其较高的比表面积多被应用于负极,现测得这类混合型超级电容器的比容量最高能达到双电层电容器的5倍。

1.2 超级电容器的主要特点

与目前广泛使用的锂离子电池相比,超级电容器:

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