基于碳材料的超级电容器电极材料的研究

李雪芹 常琳 赵慎龙 郝昌龙 陆晨光 朱以华 唐智勇

引用本文: 李雪芹,  常琳,  赵慎龙,  郝昌龙,  陆晨光,  朱以华,  唐智勇. 基于碳材料的超级电容器电极材料的研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 130-148. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609012 shu
Citation:  LI Xue-Qin,  CHANG Lin,  ZHAO Shen-Long,  HAO Chang-Long,  LU Chen-Guang,  ZHU Yi-Hua,  TANG Zhi-Yong. Research on Carbon-Based Electrode Materials for Supercapacitors[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(1): 130-148. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609012 shu

基于碳材料的超级电容器电极材料的研究

    作者简介: 李雪芹,本科毕业于青岛大学,2014年考入华东理工大学材料科学与工程学院攻读硕士学位,师从朱以华教授,期间于2015年7月至今,在国家纳米科学中心进行联合培养。主要研究碳基材料在超级电容器中的应用;常琳,工程师,硕士毕业于北京工业大学材料科学与工程专业,研究方向材料学。2010年7月硕士毕业后加入国家纳米科学中心,主要负责X射线衍射仪维护使用、技术培训等工作;陆晨光,本科毕业于北京大学化学与分子工程学院,美国Duke大学化学系理学博士。之后在美国哥伦比亚大学应用物理系做博士后研究员与助理研究员。2013年8月至今,在国家纳米科学中心任副研究员;郝昌龙,于2015年从江南大学获得博士学位,目前在国家纳米科学中心进行博士后科研工作,师从唐智勇教授。研究工作主要集中于开发低成本、新型高效的电化学催化剂用于各种电化学过程,例如超级电容器、CO2还原等;朱以华,本科毕业于南京大学,于华东理工大学获得硕士和博士学位。现在华东理工大学超细材料制备与应用教育部重点实验室任教授、博士生导师,2015年当选英国皇家化学会会士。主要研究纳米材料的可控制备及在新能源中的应用;赵慎龙,于2011年获得山东大学理学学士学位。2013年在哈尔滨工业大学获得理学硕士学位。2013年至今,在哈尔滨工业大学攻读博士学位,师从唐智勇教授。主要研究金属有机配位化合物材料的制备及其在能源转化和电催化领域的应用;唐智勇,理学博士,研究员,国家杰出青年科学基金获得者,科技部纳米重大研究计划项目首席科学家,中国科学院纳米系统与多级次制造重点实验室主任。研究领域为纳米功能材料在环境和能源领域的应用。;






  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展规划(973)(2014CB931801),国家自然科学基金(21676093,21471056,21473044,21475029,91427302),中国科学院科研装备研制项目(YZ201311),CAS-CSIRO合作研究项目(GJHZ1503)及中国科学院战略性先导科技专项(XDA09040100)资助

摘要: 超级电容器作为一种新型的能源存储装置,因为其比容量大、充放电速度快、循环寿命长等优点,在储能领域引起了极为广泛的关注。电极材料是决定超级电容器性能的核心因素,其中,常用的超级电容器电极材料主要有如下三类:碳基材料、金属氧化物及氢氧化物材料和导电聚合物材料。本文综述了超级电容器的工作原理并详细介绍了基于碳材料及其二元、三元复合体系的电极材料的研究进展。

English

    1. [1]

      Wang, G.; Zhang, L.; Zhang, J. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 797. doi: 10.1039/C1CS15060J

    2. [2]

      Simon, P.; Gogotsi, Y. Nat. Mater. 2008, 7, 845. doi: 10.1038/nmat2297

    3. [3]

      Chu, S.; Majumdar, A. Nature 2012, 488, 294. doi: 10.1038nature11475

    4. [4]

      Arico, A. S.; Bruce, P.; Scrosati, B.; Tarascon, J. M.; VanSchalkwijk, W. Nat. Mater. 2005, 4, 366. doi: 10.1038nmat1368

    5. [5]

      Yang, Z.; Zhang, J.; Kintner Meyer, M. C.; Lu, X.; Choi, D.; Lemmon, J. P.; Liu, J. Chem. Rev. 2011, 111, 3577. doi: 10.1021/cr100290v

    6. [6]

      Winter, M.; Brodd, R. J. Chem. Rev. 2004, 104, 4245. doi: 10.1021/cr020730k

    7. [7]

      Zhang, Y.; Gui, Y.; Wu, X.; Feng, H.; Zhang, A.; Wang, L.; Xia, T. Int. J. Hydrog. Energy 2009, 34, 2467. doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.12.078

    8. [8]

      Miller, J. R.; Simon, P. Science Magazine 2008, 321, 651. doi: 10.1126/science.1158736

    9. [9]

      Service, R. F. Science 2006, 313, 902. doi: 10.1126science.313.5789.902

    10. [10]

      Conway, B. Electrochemical Supercapacitors-ScientificFundamentals and Technological Applications; Plenum Press: New York, 1999; pp 11-30.

    11. [11]

      Long, J.W.; Bélanger, D.; Brousse, T.; Sugimoto, W.; Sassin, M. B.; Crosnier, O. Mrs. Bull. 2011, 36, 513. doi: 10.1557mrs.2011.137

    12. [12]

      Yu, G.; Xie, X.; Pan, L.; Bao, Z.; Cui, Y. Nano Energy 2013, 2, 213. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.10.006

    13. [13]

      Bhattacharjya, D.; Yu, J. S. J. Power Sources 2014, 262, 224. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.143

    14. [14]

      Yi, H.; Wang, H.; Jing, Y.; Peng, T.; Wang, X. J. Power Sources 2015, 285, 281. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.03.106

    15. [15]

      Fan, W.; Xia, Y. Y.; Tjiu, W.W.; Pallathadka, P. K.; He, C.; Liu, T. J. Power Sources 2013, 243, 973. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.05.184

    16. [16]

      Wang, H.; Gao, Q.; Hu, J. Microporous Mesoporous Mat. 2010, 131, 89. doi: 10.1016/j.micromeso.2009.12.007

    17. [17]

      Cheng, Y.; Lu, S.; Zhang, H.; Varanasi, C. V.; Liu, J. Nano Lett. 2012, 12, 4206. doi: 10.1021/nl301804c

    18. [18]

      Soin, N.; Roy, S. S.; Mitra, S. K.; Thundat, T.; McLaughlin, J.A. J. Mater. Chem. 2012, 22, 14944. doi: 10.1039C2JM31226C

    19. [19]

      Wang, B.; Chen, J. S.; Wang, Z.; Madhavi, S.; Lou, X.W. D.Adv. Eng. Mater. 2012, 2, 1188. doi: 10.1002/aenm.201200008

    20. [20]

      Yuan, C.; Yang, L.; Hou, L.; Shen, L.; Zhang, X.; Lou, X.W.D. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7883. doi: 10.1039C2EE21745G

    21. [21]

      Naoi, K.; Morita, M. Electrochem. Soc. Interface 2008, 17, 44.

    22. [22]

      Naoi, K.; Simon, P. Electrochem. Soc. Interface 2008, 17, 34.

    23. [23]

      Wu, Z. S.; Ren, W.; Wang, D.W.; Li, F.; Liu, B.; Cheng, H. M.ACS Nano 2010, 4, 5835. doi: 10.1021/nn101754k

    24. [24]

      Sivakkumar, S.; Kim, W. J.; Choi, J. A.; MacFarlane, D. R.; Forsyth, M.; Kim, D.W. J. Power Sources 2007, 171, 1062. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.05.103

    25. [25]

      Chen, P. C.; Shen, G.; Shi, Y.; Chen, H.; Zhou, C. ACS Nano 2010, 4, 4403. doi: 10.1021/nn100856y

    26. [26]

      Yan, J.; Wang, Q.; Wei, T.; Fan, Z. Adv. Eng. Mater. 2014, 4, 1300816. doi: 10.1002/aenm.201300816

    27. [27]

      Wei, L.; Sevilla, M.; Fuertes, A. B.; Mokaya, R.; Yushin, G.Adv. Eng. Mater. 2011, 1, 356. doi: 10.1002/aenm.201100019

    28. [28]

      Yan, J.; Wei, T.; Qiao, W.; Fan, Z.; Zhang, L.; Li, T.; Zhao, Q.Electrochem. Commun. 2010, 12, 1279. doi: 10.1016/j.elecom.2010.06.037

    29. [29]

      Wei, L.; Sevilla, M.; Fuertes, A. B.; Mokaya, R.; Yushin, G.Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 827. doi: 10.1002adfm.201101866

    30. [30]

      Ania, C. O.; Khomenko, V.; Raymundo Piñero, E.; Parra, J. B.; Béguin, F. Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 1828. doi: 10.1002adfm.200600961

    31. [31]

      Zhou, H. C.; Long, J. R.; Yaghi, O. M. Chem. Rev. 2012, 112, 673. doi: 10.1021/cr300014x

    32. [32]

      Sakata, Y.; Furukawa, S.; Kondo, M.; Hirai, K.; Horike, N.; Takashima, Y.; Uehara, H.; Louvain, N.; Meilikhov, M.; Tsuruoka, T. Science 2013, 339, 193. doi: 10.1126science.1231451

    33. [33]

      Tranchemontagne, D. J.; Mendoza Cortés, J. L.; O'Keeffe, M.; Yaghi, O. M. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1257. doi: 10.1039B817735J

    34. [34]

      Perry Iv, J. J.; Perman, J. A.; Zaworotko, M. J. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1400. doi: 10.1039/B807086P

    35. [35]

      O'Keeffe, M. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1215. doi: 10.1039B802802H

    36. [36]

      Furukawa, H.; Ko, N.; Go, Y. B.; Aratani, N.; Choi, S. B.; Choi, E.; Yazaydin, A. Ö.; Snurr, R. Q.; O'Keeffe, M.; Kim, J.Science 2010, 329, 424. doi: 10.1126/science.1192160

    37. [37]

      Farha, O. K.; Yazaydın, A. Ö.; Eryazici, I.; Malliakas, C. D.; Hauser, B. G.; Kanatzidis, M. G.; Nguyen, S. T.; Snurr, R. Q.; Hupp, J. T. Nat. Chem. 2010, 2, 944. doi: 10.1038/nchem.834

    38. [38]

      Farha, O. K.; Eryazici, I.; Jeong, N. C.; Hauser, B. G.; Wilmer, C. E.; Sarjeant, A. A.; Snurr, R. Q.; Nguyen, S. T.; Yazaydın, A. O. Z. R.; Hupp, J. T. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15016. doi: 10.1021/ja3055639

    39. [39]

      Zhao, X.; Xiao, B.; Fletcher, A. J.; Thomas, K. M.; Bradshaw, D.; Rosseinsky, M. J. Science 2004, 306, 1012. doi: 10.1126science.1101982

    40. [40]

      Sumida, K.; Rogow, D. L.; Mason, J. A.; McDonald, T. M.; Bloch, E. D.; Herm, Z. R.; Bae, T. H.; Long, J. R. Chem. Rev. 2011, 112, 724. doi: 10.1021/cr2003272

    41. [41]

      Yoon, M.; Srirambalaji, R.; Kim, K. Chem. Rev. 2011, 112, 1196. doi: 10.1021/cr2003147

    42. [42]

      Lee, J.; Farha, O. K.; Roberts, J.; Scheidt, K. A.; Nguyen, S. T.; Hupp, J. T. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1450. doi: 10.1039B807080F

    43. [43]

      Yanai, N.; Kitayama, K.; Hijikata, Y.; Sato, H.; Matsuda, R.; Kubota, Y.; Takata, M.; Mizuno, M.; Uemura, T.; Kitagawa, S.Nat. Mater. 2011, 10, 787. doi: 10.1038/nmat3104

    44. [44]

      Chen, B.; Yang, Y.; Zapata, F.; Lin, G.; Qian, G.; Lobkovsky, E. B. Adv. Mater. 2007, 19, 1693. doi: 10.1002adma.200601838

    45. [45]

      Sadakiyo, M.; OO kawa, H.; Shigematsu, A.; Ohba, M.; Yamada, T.; Kitagawa, H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5472. doi: 10.1021/ja300122r

    46. [46]

      Horcajada, P.; Chalati, T.; Serre, C.; Gillet, B.; Sebrie, C.; Baati, T.; Eubank, J. F.; Heurtaux, D.; Clayette, P.; Kreuz, C.Nature Mater. 2010, 9, 172. doi: 10.1038/nmat2608

    47. [47]

      Liu, B.; Shioyama, H.; Akita, T.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5390. doi: 10.1021/ja7106146

    48. [48]

      Li, S.L.; Xu, Q. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1656. doi: 10.1039/C3EE40507A

    49. [49]

      Chaikittisilp, W.; Ariga, K.; Yamauchi, Y. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 14. doi: 10.1039/C2TA00278G

    50. [50]

      Liu, B.; Shioyama, H.; Jiang, H.; Zhang, X.; Xu, Q. Carbon 2010, 48, 456. doi: 10.1016/j.carbon.2009.09.061

    51. [51]

      Jin, S. L.; Deng, H. G.; Liang, Z.; Qiao, W. M.; Ling, L. C.New Carbon Mater. 2012, 27, 87. doi: 10.1016/S1872-5805(12)60005-5

    52. [52]

      Hu, J.; Wang, H.; Gao, Q.; Guo, H. Carbon 2010, 48, 3599. doi: 10.1016/j.carbon.2010.06.008

    53. [53]

      Jiang, H. L.; Liu, B.; Lan, Y. Q.; Kuratani, K.; Akita, T.; Shioyama, H.; Zong, F.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11854. doi: 10.1021/ja203184k

    54. [54]

      Hu, M.; Reboul, J.; Furukawa, S.; Torad, N. L.; Ji, Q.; Srinivasu, P.; Ariga, K.; Kitagawa, S.; Yamauchi, Y. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2864. doi: 10.1021/ja208940u

    55. [55]

      Tang, J.; Salunkhe, R. R.; Liu, J.; Torad, N. L.; Imura, M.; Furukawa, S.; Yamauchi, Y. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 1572. doi: 10.1021/ja511539a

    56. [56]

      Dresselhaus, M. S.; Dresselhaus, G.; Eklund, P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes: Their Properties and Applications; Academic Press: San Diego, 1996; pp 757-870.

    57. [57]

      Saito, R.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. J. Appl. Phys. 1993, 73, 494. doi: 10.1063/1.353358

    58. [58]

      Issi, J. P.; Langer, L.; Heremans, J.; Olk, C. Carbon 1995, 33, 941. doi: 10.1016/0008-6223(95)00023-7

    59. [59]

      Niu, C.; Sichel, E. K.; Hoch, R.; Moy, D.; Tennent, H. Appl. Phys. Lett. 1997, 70, 1480. doi: 10.1063/1.118568

    60. [60]

      Ebbesen, T.; Lezec, H.; Hiura, H.; Bennett, J.; Ghaemi, H.; Thio, T. Nature 1996, 382, 54. doi: 10.1038/382054a0

    61. [61]

      Zhang, L. L.; Zhao, X. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2520. doi: 10.1039/B813846J

    62. [62]

      An, H. F.; Wang, X. Y.; Li, N.; Zheng, L. P.; Chen, Q. Q. Prog. Chem. 2009, 21, 1832. [安红芳, 王先友, 李娜, 郑丽萍, 陈权启. 化学进展, 2009, 21, 1832.]

    63. [63]

      Meng, F.; Ding, Y. Adv. Mater. 2011, 23, 4098. doi: 10.1002adma.201101678

    64. [64]

      Fu, Y.; Cai, X.; Wu, H.; Lv, Z.; Hou, S.; Peng, M.; Yu, X.; Zou, D. Adv. Mater. 2012, 24, 5713. doi: 10.1002/adma.201202930

    65. [65]

      Niu, Z.; Zhou, W.; Chen, J.; Feng, G.; Li, H.; Ma, W.; Li, J.; Dong, H.; Ren, Y.; Zhao, D. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1440. doi: 10.1039/C0EE00261E

    66. [66]

      Kaempgen, M.; Chan, C. K.; Ma, J.; Cui, Y.; Gruner, G. Nano Lett. 2009, 9, 1872. doi: 10.1021/nl8038579

    67. [67]

      Hu, L.; Wu, H.; Cui, Y. Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 183502. doi: 10.1063/1.3425767

    68. [68]

      Hu, L.; Pasta, M.; Mantia, F. L.; Cui, L.; Jeong, S.; Deshazer, H. D.; Choi, J.W.; Han, S. M.; Cui, Y. Nano Lett. 2010, 10, 708. doi: 10.1021/nl903949m

    69. [69]

      Brown, B.; Parker, C. B.; Stoner, B. R.; Grill, W. M.; Glass, J.T. J. Electrochem. Soc. 2011, 158, K217. doi: 10.11492.093112jes

    70. [70]

      Zhang, H.; Cao, G.; Yang, Y. Energy Environ. Sci. 2009, 2, 932. doi: 10.1039/B906812K

    71. [71]

      Jiang, H.; Ma, J.; Li, C. Adv. Mater. 2012, 24, 4197. doi: 10.1002/adma.201104942

    72. [72]

      Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. A.; Grigorieva, I.; Firsov, A. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896

    73. [73]

      Allen, M. J.; Tung, V. C.; Kaner, R. B. Chem. Rev. 2009, 110, 132. doi: 10.1021/cr900070d

    74. [74]

      Rao, C. E. N. E. R.; Sood, A. E. K.; Subrahmanyam, K. E. S.; Govindaraj, A. Angew. Chem. Int. Edit. 2009, 48, 7752. doi: 10.1002/anie.200901678

    75. [75]

      Chen, D.; Tang, L.; Li, J. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3157. doi: 10.1039/B923596E

    76. [76]

      Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J.W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385. doi: 10.1126/science.1157996

    77. [77]

      Hu, C.; Song, L.; Zhang, Z.; Chen, N.; Feng, Z.; Qu, L. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 31. doi: 10.1039/C4EE02594F

    78. [78]

      Dai, L. Accounts Chem. Res. 2012, 46, 31. doi: 10.1021ar300122m

    79. [79]

      Wassei, J. K.; Kaner, R. B. Accounts Chem. Res. 2013, 46, 2244. doi: 10.1021/ar300184v

    80. [80]

      Huang, X.; Zeng, Z.; Fan, Z.; Liu, J.; Zhang, H. Adv. Mater. 2012, 24, 5979. doi: 10.1002/adma.201201587

    81. [81]

      Chen, P.; Yang, J. J.; Li, S. S.; Wang, Z.; Xiao, T. Y.; Qian, Y.H.; Yu, S. H. Nano Energy 2013, 2, 249. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.09.003

    82. [82]

      Xu, Y.; Lin, Z.; Huang, X.; Wang, Y.; Huang, Y.; Duan, X. Adv. Mater. 2013, 25, 5779. doi: 10.1002/adma.201301928

    83. [83]

      Lin, T. Q.; Chen, I.W.; Liu, F. X.; Yang, C. Y.; Bi, H.; Xu, F.F.; Huang, F. Q. Science 2015, 350, 1508. doi: 10.1126/science.aab3798

    84. [84]

      Conway, B.; Birss, V.; Wojtowicz, J. J. Power Sources 1997, 66, 1. doi: 10.1016/S0378-7753(96)02474-3

    85. [85]

      Wang, X. F.; Wang, D. Z.; Liang, J. Rare Metal Mat. Eng. 2003, 32, 424. [王晓峰, 王大志, 梁吉. 稀有金属材料与工程, 2003, 32, 424.]

    86. [86]

      Wu, Z. S.; Wang, D.W.; Ren, W.; Zhao, J.; Zhou, G.; Li, F.; Cheng, H. M. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 3595. doi: 10.1002adfm.201001054

    87. [87]

      Hsieh, T. F.; Chuang, C. C.; Chen, W. J.; Huang, J. H.; Chen, W. T.; Shu, C. M. Carbon 2012, 50, 1740. doi: 10.1016/j.carbon.2011.12.017

    88. [88]

      Bélanger, D.; Brousse, L.; Long, J.W. Electrochem. Soc. Interface 2008, 17, 49.

    89. [89]

      Jiang, H.; Zhao, T.; Ma, J.; Yan, C.; Li, C. Chem. Commun. 2011, 47, 1264. doi: 10.1039/C0CC04134C

    90. [90]

      Toupin, M.; Brousse, T.; Bélanger, D. Chem. Mater. 2004, 16, 3184. doi: 10.1021/cm049649j

    91. [91]

      Ghodbane, O.; Ataherian, F.; Wu, N. L.; Favier, F. J. Power Sources 2012, 206, 454. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.01.103

    92. [92]

      Huang, M.; Li, F.; Dong, F.; Zhang, Y. X.; Zhang, L. L. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 21380. doi: 10.1039/C5TA05523G

    93. [93]

      Huang, M.; Mi, R.; Liu, H.; Li, F.; Zhao, X. L.; Zhang, W.; He, S. X.; Zhang, Y. X. J. Power Sources 2014, 269, 760. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.07.031

    94. [94]

      Shi, K.; Zhitomirsky, I. ChemElectroChem. 2015, 2, 396. doi: 10.1002/celc.201402343

    95. [95]

      Shi, K.; Ren, M.; Zhitomirsky, I. ACS Sustainable Chem. Eng. 2014, 2, 1289. doi: 10.1021/sc500118r

    96. [96]

      Liu, M.; Tjiu, W.W.; Pan, J.; Zhang, C.; Gao, W.; Liu, T.Nanoscale 2014, 6, 4233. doi: 10.1039/C3NR06650A

    97. [97]

      Song, Y.; Feng, D. Y.; Liu, T. Y.; Li, Y.; Liu, X. X. Nanoscale 2015, 7, 3581. doi: 10.1039/C4NR06559J

    98. [98]

      Zhu, S.; Zhang, H.; Chen, P.; Nie, L. H.; Li, C. H.; Li, S. K. J. Mater. Chem. A 2014, 3, 1540. doi: 10.1039/c4ta04921g

    99. [99]

      Yin, H.; Zhao, S.; Wan, J.; Tang, H.; Chang, L.; He, L.; Zhao, H.; Gao, Y.; Tang, Z. Adv. Mater. 2013, 25, 6270. doi: 10.1002adma.201302223

    100. [100]

      Reddy, A. L. M.; Ramaprabhu, S. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 7727. doi: 10.1021/jp069006m

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  12
  • 文章访问数:  2900
  • HTML全文浏览量:  450
文章相关
  • 收稿日期:  2016-06-13
  • 修回日期:  2016-08-31
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章