【科研进展】碳纤维在柔性超级电容器中的研究进展
发布时间：
2021-11-12
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摘要
随着便携式和可穿戴智能电子产品的快速发展，其对储能器件的要求越来越高，传统的超级电容器难以满足其需求，柔性超级电容器因其具有轻便、可弯折以及良好的循环稳定性，成为新一代有巨大潜力的储能器件。本文介绍了超级电容器以碳纤维在柔性超级电容器的研究进展，总结了柔性超级电容器存在的问题并提出了展望。
电极材料是决定超级电容器性能好坏的关键，如何兼顾活性电极的柔性化和高能量密度是一个难点。碳材料在硬度、光学特性、耐热性、导电性等方面都优异于其他材料，非常适合作为柔性超级电容器的基础电极材料。其中碳纤维具有良好的导电、导热性，以及优异的化学稳定性，受到研究者们的广泛关注。通过不同的结构设计能够将电极、电解质、柔性基板更好的结合，一方面能够保证柔性超级电容器的灵活性，另一方面也能提高柔性超级电容器的储能。
碳纤维作为一种碳含量在95%以上的新型纤维材料，对比传统的玻璃纤维，它耐腐蚀性强，质量比金属铝轻，强度比钢铁高，具有外柔内刚的特点。纤维状的碳材料如碳布和纳米纤维纸等兼顾良好的导电性和柔韧性，常用于制备柔性超级电容器的电极。纤维状超级电容器具有能量密度低的缺点，这也常常限制了它的应用，碳纤维作为电极材料不例外。
为了提高能量密度可以通过工作电势窗口、比电容最大化两种方法。使用有机电解质或者离子电解质可以提高电导率，组装非对称超级电容器可以有效提高电势窗口。MnO3的功函数高达6.9eV，可用作正极，MnO2的功函数4.4eV，可用作负极。由于正负电极功函数相差较大，可以有效增大电势窗口电压。对于提高比电容，可以采取与赝电容材料复合，产生赝电容效应，提高电极材料的储存能力。碳纤维常常作为柔性基底，在其表面沉积生长金属氧化物或导电聚合物，作为电极材料。研究人员制备了改性氮掺杂碳纤维布电极，展现了优秀的电化学性能，为大规模制备高性能碳纤维电极材料提供了一条简便而有效的途径。研究人员通过电沉积法在碳纤维布上生长的镍-钴层状双氢氧化物，该电极在1A/g的电流密度下具有1540F/g的高比电容。
柔性超级电容器的关键在于高性能与良好柔韧性的电极。碳纤维的优异物理化学性能和可编织性，非常适合作为柔性超级电容器的电极。碳纤维电极的问题是能量密度低，可以通过扩大电势窗口和增大比电容来提高能量密度。碳纤维与不同的金属氧化物的复合增加了储存能力，使用有机、离子电解质可以电导率，不同的金属氧化物功函数不同，组装非对称超级电容器可以扩大电势窗口电压。
总之，碳纤维等纳米碳材料在柔性超级电容器中有着广阔的应用前景，但仍有一些问题需要思考与解决，如：
（1）柔性超级电容器性能没有建立统一评判标准。
（2）纳米碳材料价格总体偏贵，目前还难以用于工业化生产。
（3）应该不断探寻新的电化学性能优异的材料；从细微处分析储能机理，对现有材料进行改进；还可以针对应用场合的不同，对超级电容器结构进行改进。
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