Ni、Co、Fe基复合材料的电化学性能及应用研究

随着能源需求的不断增加，人们面临着电力日益短缺和售价日益高涨的威胁，为此，科研工作者越来越注重先进储能装置和管理设备的研究。 超级电容器以其突出的优势——超大的功率密度、快速充放电能力和长循环寿命引起了广泛关注[5，61]，被广泛应用在混合动力电动汽车和个人电子产品等方面。 与蓄电池相比，虽然SCs 具有更高的功率密度，但是其能量密度仍然处于滞后状态，经过不断改进，SCs 的能量密度可望赶超蓄电池。

1.稳定的储能设备

对于固定型应用，SCs 通常用于提供功率的稳定装置，解决功率激增或短期功率损失的问题。 它可以在高功率下存储和释放能量从而动态匹配可再生能源的间歇性发电，如太阳能/风能发电厂。 固定型SCs 最大的优点是它可以设于控制室内，使其免遭污垢、湿度、振动和剧烈冲击的影响。 另外，电路保护和温度可控设备的安装启用，使得固定型SCs 可在最佳优化状态下工作。

2.汽车和运输方面的应用

混合动力汽车(HEVs)和电动汽车(EVs)由于其节能减排的特性吸引了众多关注。 汽车上的高功率容量超级电容器不仅能在减速期间从再生制动中储存能量，而且还可以在加速峰值期间提供即时功率，用以补偿车载电池系统的低功率。 除了具备高能量密度、低价和长循环寿命等必备条件外，应用在汽车上的SCs 更应考虑高功率、宽工作温度范围及安全性等问题。 此外，SCs 也被应用在地铁、火车、电车系统等领域。

3.便携式电子设备

与定置型设备和汽车应用相比，便携式电子设备(包括微电子机械系统和无线传感器)网络的运行仅需要微尺度能量供应。 所以，当SCs 作为能量来源用于这些小型和微型设备时应具备以下独特的要求：体积小、质量轻、灵活度高、拉伸性强及与新兴表皮电子设备的高生物相容性[62]。 以上标准更具挑战性，幸运的是最近陆续报道了一些有前景的方法来解决这些问题。(www.xing528.com)

(1)质量轻和灵活性的超级电容器。

制备应用于便携式电子产品的轻质SCs 时，电极/电解液须无毒无害，并且此装置应具有高质量/体积的能量密度和功率密度。 碳纳米管(CNT)或石墨烯(graphene，GN)电极由于其高灵活性和高导电性而被广泛研究。 以CNT作为SCs 的电极材料实用价值高[63]——不仅是因为其超轻且柔韧性强，更是由于CNT 的价格低廉且制备方法简易。 Pushparaj 等人将CNTs 均匀分散入纳米多孔纤维素纸制备柔性电极材料[64]，在氢氧化钾电解质和非水溶液电解质中分别呈现的比电容为36 F/g 和22 F/g。 为了提高能量密度，CNT/过渡金属氧化物复合纸作为柔性电极材料也正在被研究。 Chou 等人[65]将MnO2纳米线电沉积在CNT 纸上，在0.1 mol/L Na2SO4 电解液中，当电流密度为770 mA/g 时其比电容为167.5 F/g。

(2)用于便携式电子设备的可伸缩超级电容器。

与灵活的便携式电子设备相比，可伸缩的电子装置[66]需要可拉伸的便携式电源。 将活性物质薄膜覆盖在预变形的弹性基底上，然后释放弹性基底来获得可逆的延展性，从而构建出周期性的弯曲结构，是一种制备可伸缩SCs 电极材料的方法。 Yu 等人[67]首次以弯曲的单壁碳纳米管(SWNT)作为电极材料组装成可伸缩的SCs，实验结果表明可伸缩的SWNT 薄膜结构机械强度提高了40%，但其电化学性能与不可伸缩的SWNT 薄膜结构相比却未发生衰减，比电容仍可保持在50 F/g。 基于一种简单的“浸渍、干燥”方法，Hu 等人[68]将SWNT 溶液包覆到纺织物品上组成可伸缩SCs 电极材料，这种SWNT/纺织物复合材料的质量比电容很高(0.48 F/g)，具有良好的商业应用价值。

(3)用于个人电子产品的透明超级电容器。

对于下一代储能装置来说，需要嵌入小型柔性显示屏，如应用在智能手机或平板电脑里的多点触控显示屏。 除了对灵活/可伸缩SCs 的机械强度严格控制外，对透明度的要求也越来越苛刻。 经过实验分析，graphene 和CNT复合物表现出了透明特性，经过加工之后，复合物会变得极薄，这是其他纳米碳材料很难达到的。 Chen 等人也合成了一种透明柔性的In2O3 纳米线/CNT异质薄膜电极[69]，此SCs 的功率密度为7.48 kW/kg，经过长时间循环后，电容保持率仍为88%。 若想达到电极的透明化，最主要的是要生产出高比表面积的超薄电极材料，然而，电极厚度的降低将导致导电性的衰退。 近期，King等人[70]专门研究了不同厚度的透明电极所产生的渗流效应对超级电容器性能的影响，结果表明当透明度大于90%时，电容/能量将大幅衰减。 此项研究对平衡透明度和电容性能之间的关系起到了重要作用。