1、,超级电容器氧化钌电极材料的研究进展,Contents,超级电容器简介,氧化钌的化学制备方法,氧化钌形态结构及荷电机理,超级电容器氧化钌电极材料,氧化钌复合电极材料的研究,氧化钌复合电极材料的发展方向,超级电容器简介,超级电容器,双电层 电容,Faraday 准电容,概念：超级电容器是一种新型电化学储能装置, 是指采用高比表面积碳材料或RuO2等贵金属氧化物作电极,容量为传统电容器的20-200倍的电化学电容器，以其数十倍于蓄电池的比功率, 以及数百倍于物理电容器的比能量而引起电源界的广泛重视。,采用碳材料的超电容器的储能机理是基于碳电极/电解液界面上电荷分离所产生的双电层电容(double
2、layer capacitance),采用RuO2的超电容器的电容是在氧化物电极表面及体相发生的氧化还原反应而产生的吸附电容，由于该类电容的产生机制与双电层电容不同并伴随电荷传递过程的发生，这种电容被称为Faraday准电容 （Faradaicpseudo-capacitance）。,超级电容器简介,双电层电容电极材料主要为高比表面积碳材料,以双电层形式储存能量(图1);,法拉第准电容电极材料为过渡金属氧化物和导电聚合物,以活性物质表面及体相所发生的快速可逆的氧化还原反应形式储存能量。,氧化钌的化学制备方法,热分解氧化法,电化学沉积法,溶胶凝胶法,热分解氧化法制得的 RuO2不含结晶水, 属于
3、晶体结构, 其比容量一般不及溶胶凝胶法所合成的水合氧化钌。,溶胶凝胶法是一种低温合成方式,制备的钌氧化物通常为无定形水合物,已有超过 700 F/g的比容量。,电化学沉积法便于直接制膜, 膜厚度也易控制。一般以金箔、碳材料或镀金物质等为沉积基体, 电解液形式多样。,氧化钌形态结构及荷电机理,无水 RuO2为金红石形式晶体结构, 具有 d 键导电性, 用作电极材料时, 电解液不易进入材料内部, 只在材料的表面发生反应, 比容量低。,水合氧化钌具有微孔或纳米孔表面结构、高度的无定形氧化态、高度的氢氧基和含水等特征, 局部结构具有质子、电子迁移的畅通路径, 电解液容易进入活性物质内部, 以它为电极材
4、料组成超级电容器, 不仅在电极活性物质表面, 而且在体相界面上均能发生高度可逆的快速氧化还原反应, 因此所储存的比能量、比容量大大提高。,无水 RuO2,水合 RuO2,氧化钌形态结构及荷电机理,一般低于150 煅烧时, RuO2x H2O的X射线衍射光谱(XRD)图上没有可辨别的峰,为无序结构。热处理温度高于200, 即能看到尖锐的衍射峰,无定形结构转变成了晶体结构。当然结构转变温度会因溶胶凝胶过程中的具体方式而偏高或偏低。,在酸性溶液中, 氧化钌的氧化还原反应一般可简单地表示为: RuOa（OH）b+H+e+=RuOa-（OH）b+由于溶胶凝胶法所制备的水合氧化钌准电容大,因此目前以该方法
5、制备超级电容器用氧化钌材料的居多。溶胶凝胶法制备的氧化钌前驱体后期一般要进行热处理, 产物的形态结构对热处理温度很敏感（图二）。,氧化钌复合电极材料的研究,氧化钌与碳基材料的复合,氧化钌与 其它过渡金属氧化物 的复合,氧化钌与导 电聚合物 的复合,在聚合物表面上产生较大的双电层的同时，通过导电聚合物在充放电过程中的氧化、还原反应，在聚合物膜上快速生成型或型掺杂，从而使聚合物存储很高密度的电荷，产生很大的法拉第电容，具有很高的电化学活性。,RuO2的比表面积随着混合金属氧化物的引入而提高，用这些廉价材料可降低成本，当然功能也随之降低，但也有因电化学性能上的协同作用使材料整体性能提高的情况。,可用做电化学超级电容器电极的碳材料主要有活性炭粉末、碳黑、碳纤维、玻璃碳、碳气溶胶、碳干溶胶、纳米碳管等。对于碳材料，采用高比表面积可得到高电容。,氧化钌复合电极材料的发展方向,优缺点： 无论是从比容量还是从充放电特性来讲，氧化钌的综合性能都是最好的，但缺陷是氧化钌资源较为紧缺，且价格昂贵，并且金属钌对环境有污染。 发展方向： 未来的发展方向是尽量减少钌的用量，开发氧化钌与其他 廉价无毒材料的复合电极材料，尤其是氧化钌与高比表面积碳材料的结合最被看好。,10,
