Carbon nanomaterials and their composites for supercapacitors

Mingzhu Zhong, Miao Zhang*, Xifei Li

Carbon Energy.

DOI:10.1002/cey2.219

近年来，随着航空航天、可再生能源、电动汽车和智能电子设备的兴起，以及能源短缺和环境危机的加剧，清洁高效的储能设备的发展越来越受到人们重视。超级电容器由于节能环保、功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等优点，在能源存储领域受到广泛的关注。其中，以碳基材料为电极的超级电容器已成为研究热点。碳纳米材料具有优异的电化学性能，在超级电容器领域具有巨大的潜力。同时，在碳纳米材料的基础上进行优化和复合以满足超级电容器的性能要求也是一个重要的研究方向。

天津师范大学张淼团队对以单一碳纳米材料（碳纳米管、石墨烯、活性炭和碳纳米笼等）和多级碳纳米结构（复合材料）为电极的超级电容器的最新进展进行了综述，重点介绍了不同单一碳纳米材料和多级碳纳米材料的结构、性能和应用方向。不同的多级结构的复合方式对高性能超级电容器的发展有着各自的影响。之后，浅谈了抑制碳基材料超级电容器的自放电和容量衰减的最新研究进展。最后，展望了碳纳米材料在超级电容器中的应用和发展方向，为碳基材料超级电容器的研究提供了一定的指导意义。文章以题为“Carbon nanomaterials and their composites for supercapacitors”发表在Carbon Energy上。

本文综述了不同的碳纳米结构和碳基复合材料的研究现状，并对未来碳材料的研究进行了如下展望：1）深入研究缺陷含量、杂原子含量和官能团含量对碳纳米材料性能的影响，引入缺陷、杂质原子（N、P、O等）和表面官能团，定制碳电极的结构和性能。2）设计和构建导电网络以形成导电膜提高材料的电化学性能。3）碳纳米材料的有序化设计和结构构建。4）优化制备策略，探索大规模生产高质量碳纳米材料的方法。同时，就复合方法而言，未来也有许多进一步改进和丰富的可能性：1）充分利用各种合成方法结合，更精确地设计和控制碳纳米材料的孔径和结构，以获得满足超级电容器性能要求的新型结构碳材料。2）目前在碳材料中引入微孔的方式有限。有必要开发新的成孔方法，以改进现有的成孔技术。3）应进一步精准设计和控制材料的结构，研究不同类型物质在合成前后的形态和结构变化。根据形态和结构转变规律，估算出这些物质形成的碳前驱体的碳化结构，从而准确地指导复杂结构碳材料的合成。4）在应用中，应尽可能简化合成步骤，优化工艺路线。