碳納米管超級電容器的研究進展

陳列春，張海燕，賀春華，謝慰

(廣東工業大學材料與能源學院，廣東 廣州 510006)

摘要：綜述了碳納米管超級電容器的研究進展，并解析了采用碳納米管作為超級電容器電極材料的優缺點及制備高性能碳納米管超級電容器的辦法。

超級電容器(Supercapacitor)也叫電化學電容器[1]，作為一種新型儲能裝置，它具有比容量高、比功率高及循環壽命長等優勢，可作為無污染的小型后備電源用于多種電器設備中，同時它可與電池共同組成復合電源為電動車提供動力，近年來其研究受到廣泛地關注并得到快速地發展[2-6]。碳納米管的管徑一般為幾納米到幾十納米，長度在幾微米至幾十微米，其比表面積大、導電性好，是超級電容器的理想電極材料。

1碳納米管作為超級電容器的電極材料

王曉峰等人[7]以NiO/(SiO2，Al2O3)為催化劑，C3H6為碳源氣體，采用催化裂解法制備了多壁碳納米管材料，以泡沫鎳為基體制備成電極，將20對該電極與無紡布隔膜一次重疊后制成電容器的內芯，并放入有1mol/L LiClO4PC有機電解液的不銹鋼內殼中，組裝成碳納米管超級電容器。試驗結果聲明，在20A充放電流條件下，70s內電壓從2.5V下降到0；該超級電容器的電容量為600F，內阻為2.5mΩ，其比功率和比能量分別為1kW/kg和0.8W·h/kg，即使在100A的充放電流條件下，超級電容器的電容量和比能量依然達到570F和0.76W·h/kg。

何春建等人[8]將0.5mm厚的鋁片經除油、化學拋光后，在0.3mol/L的草酸溶液中用恒電流法進行電化學氧化，再用HgCl2去除未氧化的鋁基底，在50℃條件下用10%的碳酸鈉去除多空氧化鋁的阻擋層，負載硝酸鐵后放入管式爐中，通入體積比為1：4的H2和Ar還原保護氣。以C2H2為碳源，先在500℃下保溫6h，再在700℃條件下保溫15h，然后降至室溫，最后得到沉積在多孔氧化鋁模板中的有序碳納米管陣列。將該陣列作為碳納米管超級電容器的電極，組裝成碳納米管超級電容器。電容器的電容量為687F/m2，比一般雙電層碳電極電容器的電容量0.2F/m2大3435倍，說明用于超級電容器中的碳納米管陣列電極具有非常優異的性能。

K.Jurewicz等人[9]將KOH和多壁碳納米管按質量比4：1的比例混合，在800℃的高溫下對碳納米管進行90min的活化解決。結果顯示，在7mol/L KOH電解液中，未經活化的多壁碳納米管超級電容器的比容量為4F/g，而活化后的碳納米管超級電容器則達到49F/g。在氨水和空氣體積比為1：3的條件下，將未活化和活化后的碳納米管分別進行氨水氧化解決。試驗結果聲明，前者的比容量升高到40F/g，后者的比容量升高到58F/g。這說明對碳納米管進行活化及氨水氧化解決后，碳納米管上的官能團增加，有利于提高碳納米管超級電容器的比容量。

J.H.Chen等人[10]采用CVD技術，以Ni為催化劑，筆直通過石墨形態進行生長，得到管徑為50nm的碳納米管。經過循環伏安探測，在循環掃描速率為100mV/s時，超級電容器的比容量達到115.7F/g，表現出典型的雙電層電容器的特性。

張建宇等人[11]采用化學氣相沉積法制備碳納米管，在溫度約為700℃時進行催化裂解反應，反應氣體為乙炔氣體，保護氣為氫氣，含有Fe，Co及Ni金屬氧化物的催化劑平均地附著在Al2O3及SiO2納米顆粒載體上。制作好的碳納米管電極和質量分數為38%的硫酸電解液組裝成雙電層電容器，在25mA的恒流充放電條件下，電容器的比容量約為21F/g，等效內阻約為2Ω。

陳人杰等人[12]以Ni為催化劑，通過高溫催化裂解C2H2/H2混合氣體，制備出碳納米管，并制成薄膜電極，以二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰-1，3-氮氧雜環戊2-2酮熔鹽為電解液，組裝成模擬電容器。在1mV/s的掃描速率下，電容器表現為典型的雙電層電容特性；在電位0～2.0V范圍內用4A/m2的電流密度對模擬電容器進行恒流充放電，其比容量達到20.5F/g，經過500次循環充放電后，容量損失小于5%。

馬志仁等人[13]用高溫催化裂解C2H4/H2混合氣體制得碳納米管，并經質量分數為20%的硝酸純化解決，去除金屬催化劑，然后在25MPa及2000℃、氬氣保護的條件下，將碳納米管熱壓成型，做成固體電極，組裝成超級電容器。該熱壓電極電容器的體積比電容量為78.1F/cm3，漏電電流小于0.6mA，等效串聯電阻約2.75Ω。

江奇等人[14]將催化裂解法制備的碳納米管經硝酸純化去除雜質后與KOH按質量比1：4混合，經研磨后置于陶瓷管中加熱，在溫度850℃下，通氮氣并保溫1h。采用活化前后的碳納米管作為電極材料，質量分數10%的乙炔黑做導電劑，質量分數5%的聚偏氟乙烯(PVDF)做粘結劑，電解液為1mol/L LiClO4/EC+DEC，其中V(EC)：V(DEC)=1：1。

探測結果聲明，碳納米管比表面積由活化前的19411m2/g增加到510.5m2/g，孔容也由原來的0.660cm3/g增加到0.911cm3/g；在0.2mA恒流充放電條件下，電容器的比容量從活化前的25.0F/g提高到50.0F/g。這說明增加碳納米管的比表面積和孔容，有利于提高碳納米管超級電容器的比容量。

梁逵等人[15]研究了以碳納米管作為電極材料的超級電容器的頻率應和特性。在TEABF4/PC電解液中，在0.1～1×105Hz的頻率范圍內，當頻率低于0.25Hz時電容器的阻抗曲線出現分明的電荷飽和，當頻率較高時同一個電容器的電容量遠小于頻率較低時的電容量。這聲明碳納米管超級電容器的電解質離子在多孔電極中較難擴散，所以頻率應和相對于傳統的紙介電容器、電解電容器要差很多。

E.Frackwiak等人[16]考察了用烴類催化分析法制得的三種不同碳納米管用作超級電容器電極時的性能。按m(碳納米管)：m(乙炔黑)：m(聚偏二氟乙烯(PVDF)粘結劑)=85：5：10進行混合，并將混合物壓制成極片，所制得的碳納米管電極的比電容量4～80F/g。

K.H.An等人[17]研究了采用電弧法合成的單壁納米碳管用作超級電容器電極時的行為，分解了粘結劑、炭化溫度、充電時間及放電電流密度等因素對其電化學行為的影響。他們將純度為20%～30%的束狀單壁納米碳管同質量分數為30%的聚偏二氯乙烯(PVDF)混合，在6.9MPa壓力下模壓制成電極，在500～1000℃、氬氣保護下解決30min，用鎳箔做集電極，以7.5mol/L KOH為電解液，裝配成電容器。該電容器的比容量達180F/g，功率密度和能量密度分別為20kW/kg和6.5～7W·h/kg。

王貴欣等人[18]采用5種均由催化裂解法制備、經過相同條件純化解決(純度在95%以上)的多壁碳納米管作為超級電容器的電極材料，以溶解在乙烯碳酸酯(EC)和二乙基碳酸酯(DEC)(二者質量比為1：1)中的1mol/L LiClO4為電解液，考察了比表面積和孔結構對超級電容器比容量的影響。結果發現，當碳納米管比表面積為118.80m2/g時，超級電容器的比容量僅為15.86F/g；當比表面積增大到476.10m2/g時，比容量相應地增加到54.80F/g。研究聲明，多壁碳納米管的比容量與孔徑為3nm以上孔的比表面積有很好的線性關系。

本文作者對碳納米管進行了硝酸回流改性解決，將其用作超級電容器的電極材料。由圖1可見，未做回流解決前，碳納米管的帽端是關閉的，并且含有催化劑，經過質量分數為68%的硝酸回流80h后，碳納米管的帽端被打開，且催化劑被去除。這有利于電解液中的離子進入碳納米管內腔，使碳納米管的內部表面得到了充足利用，從而形成更大的雙電層，有利于碳納米管超級電容器的比容量提高。

將硝酸回流改性前后的碳納米管做成電極，以1mol/L Na2SO4為電解液，組裝成CR2032型鈕扣式超級電容器，并對其進行恒流充放電探測。由圖2可見，充放電曲線呈對稱性分布。這聲明，制備的碳納米管超級電容器具有理想的電容特性。通過比容量的計算公式，可計算出改性前及改性后的碳納米管超級電容器比容量分別為5.1F/g和40.1F/g。

2結語

超級電容器已經越來越受到人們的關注，利用碳納米管作為超級電容器的電極材料必將成為研究人員探索和研究的熱門課題。要獲得高性能、大比電容量的碳納米管超級電容器，關鍵因素是開發出具有高比表面積及富含官能團的碳納米管。所以，對初步制備的碳納米管，可以考慮對其進行活化解決、酸(硝酸、硫酸等)回流解決、氨水氧化等解決方式，然后再將解決后的碳納米管使用于超級電容器。要怎么樣研制出具有實用前景的納米碳管超級電容器，將是一項緊要的工作。

參考文獻：

[1]CONWAY B E.Transition from supercapacitor to battery behavior inelectrochemical energy storage [J].Journal of Electrochemical Society，1991，138 (6)：1539-1548.

[2]劉政，毛衛民.碳納米管及其在汽車中的使用前景[J].金屬功能材料，2005，12(4)：39-43.

[3]張治安，鄧梅根，胡永達，等.電化學電容器的特點及使用[J].電子元件及材料，2003，22(11)：1-5.

[4]BECKERH L.Low voltage electrolytic capacitor：USA，2800616[P].1957-07-23.

[5]BURKE A.Ultracapacitors：why how and where is the technology[J].J Power Sources，2000，91：37-50.

[6]GAMBY J，TABERNAP L，SIMON P，et al.Studies and characterisations of various activated carbons used for carbon/carbon supercapacitors[J].Journal of Power

Sources，2001，101(1)：109-116.

[7]王曉峰.碳納米管超級電容器的研制和使用[J].電源技術，2005，29(1)：27-30.

[8]何春建，薛寬宏，陳巧玲，等.多壁碳納米管陣列電極的循環伏安行為[J].化學研究，2003，15(5)：628-629.

[9]JUREWICZ K，BABEL K，PIETRZAK R，et al.Capaci-tance properties of multi-walledcarbon nanotubes modi-fied by activation and ammoxidation[J].Carbon，2006(44)：2368-2375.

[10]CHEN J H，LI W Z，WANG D Z，et al.Electrochemical characterization of carbon nanotubes as electrode in electrochemical double-layer capacitors[J].Carbon，2002(40)：1193-1197.

[11]張建宇，曾效舒，蔡結松.基于碳納米管的雙電層電容器[J].南昌大學學報：工科版，2002，24(3)：14-15.

[12]陳人杰，吳鋒，徐斌，等.室溫熔鹽在碳納米管電化學電容器中的使用[J].電子元件與材料，2007，26 (4)：11-14.

[13]馬仁志，魏秉慶，徐才錄，等.基于碳納米管的超級電容器[J].中國科學：E輯，2004，30(2)：112-1165.

[14]江奇，盧曉英，趙勇，等.碳納米管微結構的改變對其容量性能 的 影 響[J].物理化學學報，2004，20 (5)：

[15]梁逵，陳艾，葉芝祥.碳納米管與活性炭超級離子電容器的頻率應和[J].功能材料與器件學報，2002，8 (2)：183-186.

[16]FRACKOWIAKA E，METENIERK，BERTAGNA V，etal.Supercapacitor electrodesfrom multiwalled carbon nanotubes[J].Appl Phys Lett，2000，77(15)：2421-2423.

[17]AN K H，JEON K K，HEO J K，et al.High-capacitance supercapacitor using a nanocomposite electrode of sin-gle-walled carbonnanotube and polypyrrole[J].J Elec-trochem Soc，2002，149(8)：A1058-A1062.

[18]王貴欣，矍美臻，周固民，等.一種估算多壁碳納米管電化學容量的辦法[J].無機化學學報，2004，20 (4)：369-372.

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除