摘要：超級(jí)電容電池是具有高能量密度和高功率密度的新型儲(chǔ)能器件，對(duì)其負(fù)極材料的研究主要集中在炭材料上。分析了超級(jí)電容電池用炭類負(fù)極的工作原理，綜述了可用作超級(jí)電容電池負(fù)極的活性炭/石墨復(fù)合材料和三維炭材料的制備方法與電化學(xué)性能，分析了現(xiàn)行超級(jí)電容電池用炭類材料研究中的不足，指出超級(jí)電容電池用炭類負(fù)極材料的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在對(duì)其儲(chǔ)能機(jī)理進(jìn)行深層次研究。采用量子化學(xué)計(jì)算方法研究炭材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系也是未來研究的一個(gè)重點(diǎn)。

1超級(jí)電容電池簡(jiǎn)介

超級(jí)電容電池是指兼具雙電層電容儲(chǔ)能和鋰離子脫/嵌儲(chǔ)能的一種新儲(chǔ)能器件，具有高能量密度和高功率密度，可望在特種航天、特種特種、電動(dòng)車輛、電子信息和儀器儀表等急需兼具高能量密度、高功率密度等性能儲(chǔ)能器件的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前對(duì)超級(jí)電容電池儲(chǔ)能器件的研究逐漸成為熱點(diǎn)。

作為超級(jí)電容電池關(guān)鍵材料之一的負(fù)極材料應(yīng)兼具鋰離子電池負(fù)極材料和超級(jí)電容器電極材料的特點(diǎn)。迄今為止，在鋰離子二次電池負(fù)極材料和超級(jí)電容器負(fù)極材料中，炭材料是唯一商業(yè)化的，而且在新型、高性能開發(fā)方面仍具很大發(fā)展空間，因此，炭材料仍然是鋰離子二次電池負(fù)極材料和超級(jí)電容器負(fù)極材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。選擇來源廣泛、價(jià)格便宜、性能優(yōu)良的炭類材料作為超級(jí)電容電池的負(fù)極材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前專門針對(duì)超級(jí)電容電池用炭類負(fù)極材料的研究比較少，但是已有文獻(xiàn)報(bào)道采用一定的方法制備出兼具優(yōu)異雙電層電容性能和鋰離子電池性能的炭材料。本文主要綜述了兼具雙電層電容和鋰離子電池性能的炭材料的研究現(xiàn)狀，指出了這些材料目前存在的不足，并分析了超級(jí)電容電池用炭類負(fù)極材料未來的研究方向。

2超級(jí)電容電池用炭類負(fù)極材料的研究進(jìn)展

為了滿足鋰離子脫/嵌儲(chǔ)能，作為超級(jí)電容電池的負(fù)極應(yīng)該滿足:在鋰離子的嵌入反應(yīng)中自由能變化小，鋰離子在負(fù)極的固態(tài)結(jié)構(gòu)中有高的擴(kuò)散率、高度可逆的嵌入反應(yīng)和良好的電導(dǎo)率，熱力學(xué)性能穩(wěn)定并與電解質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)為了滿足良好的雙電層儲(chǔ)能，作為超級(jí)電容電池的負(fù)極，還應(yīng)具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、合適的孔結(jié)構(gòu)與比表面積、較高的電位窗口等性能，以保證其在高電壓電池系統(tǒng)里具有良好的性能，特別是大倍率性能。目前的研究主要分為兩類:一類是根據(jù)活性炭滿足雙電層儲(chǔ)能，石墨插層化合物滿足鋰離子脫/嵌儲(chǔ)能，將活性炭與石墨插層化合物復(fù)合；另一類是根據(jù)雙電層儲(chǔ)能和鋰離子脫/嵌儲(chǔ)能對(duì)不同炭孔徑的要求，利用不同的模板方法制備出三維孔徑的炭材料。

2.1活性炭與石墨復(fù)合材料

活性炭是超級(jí)電容器最早采用的炭電極材料，也是目前研究得最多的一種電極材料。作為超級(jí)電容器電極材料，活性炭的優(yōu)越性在于其具有良好的導(dǎo)電性、超高的比表面積(達(dá)2000m2/g以上)、可調(diào)控的孔系結(jié)構(gòu)。此外，活性炭還具有原料豐富、價(jià)格低廉、加工性能好、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在鋰離子電池用炭負(fù)極材料中，石墨插層化合物(GIC)應(yīng)用最為成功，與其它嵌入材料相比，該炭材料具備較高的法拉第容量、高循環(huán)效率和低電化學(xué)電位。目前，GIC類負(fù)極材料中中間相炭微球(CMS)由于其球形的顆粒和高度有序的層面堆積結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子從球的各個(gè)方向嵌入和脫嵌，避免了其他石墨類材料由于各向異性過高引起的石墨片溶漲、塌陷和循環(huán)性能不佳的缺陷。CMS以其優(yōu)越的特性成為目前長(zhǎng)壽命鋰離子電池及動(dòng)力電池所使用的主要負(fù)極材料之一。李劼等將活性炭與CMS復(fù)合制備的新型負(fù)極材料，在鋰離子電池中其比容量達(dá)301.2mA·h/g，在超級(jí)電容器中其比容量達(dá)25F/g，電位窗口提高至3.5VvsLi/Li+，能量密度提高至40.3W·h/kg。因?yàn)橥鈱影驳奶坎牧线€有望對(duì)內(nèi)層CMS進(jìn)行保護(hù)，有效防止溶劑化鋰離子與有機(jī)溶劑的共嵌入對(duì)CMS層間的破壞，具有較好的電池特性。但是該炭材料在超級(jí)電容電池中應(yīng)用時(shí)存在以下缺點(diǎn):