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碳纤维在柔性超级电容器中的研究进展

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 。
碳纤维在柔性超级电容器中的研究进展
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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也不例外 。
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 。 MoO3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 。 Zheng等人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 。 Li等人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 。
文章来源：知网（杜永权 ， 陈建文 ， 肖鹏 ， 碳纤维在柔性超级电容器中的研究进展[J] ， 科技视界 ， 2020 ， 22：153-154.）
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【来源：石墨烯联盟】
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