纳米碳材料的超级电容器性能测试

唐纪平，王秀华

（安徽师范大学化学与材料科学学院，安徽 芜湖 241000）

进入二十一世纪以来，随着世界经济的高速发展和世界人口的快速增长，地球能源的枯竭是一个不可避免的问题。化石燃料等不可再生能源的大量消耗和环境问题已严重威胁到人类的生存和进步。因此，人类迫切需要研发新型能量存储和转换装置。而超级电容器作为一种新型的绿色储能器件,具有高放电比功率、优异的瞬时充放电性能、循环寿命长等优点，可作为无污染的小型后备能源而用于多种电器[1-4]。

作为一种重要的功能性材料，碳材料[5-9]有很多种，包括碳纤维、碳管等，其在碱性电解液中活性高、稳定性好，在电池、催化剂、传感器等领域有着广泛应用。由于具有较高的双电层电容特性，纳米碳材料超级电容器电极材料具有很高的应用价值[10-13]。本文通过对纳米碳材料的电化学性能进行测试，考查纳米碳电极的比电容、循环稳定性和电化学性能。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

纳米碳（美国Sigma-Aldrich公司）；泡沫镍（苏州氩氪氙贸易有限公司）；聚四氟乙烯分散液（60wt%，阿拉丁（上海）有限公司）；炭黑（郑州中原区齐盛实验仪器销售部）；12M浓盐酸（江苏强盛功能化学股份有限公司）；实验用水为二次蒸馏水。

场发射扫描电子显微镜（FEI Co.,model Quanta-200）；透射电子显微镜（FEI Co，Tecnai G2 F20 STIWN，200kV）；拉曼光谱（JobinYvonCo，LabRAMHR800）。

1.2 电化学测试

1.2.1 电极的制备

用剪刀在泡沫镍上剪下1.3cm×0.9cm的镍片，放在烧杯中，加入20mL 3M的稀盐酸，超声8min，二次蒸馏水洗涤干净，放入烘箱中烘干。用精密天平称量，质量为80.33mg。按85∶10的比例称取纳米碳25.5mg和炭黑3mg置于研钵中。将聚四氟乙烯浓缩分散液用蒸馏水稀释10倍，滴入8滴到研钵中，加少量乙醇并研磨3min，均匀涂到泡沫镍的下半位置，面积为0.9 cm2。放入烘箱中烘干。取出涂抹好的泡沫镍并再次称量，质量为87.04mg。

1.2.2 电化学性能测试

电化学测试是由传统的三电极电解池和CHI760E电化学工作站运行的。面积为2cm2的铂片作为对电极，Ag/AgCl为参比电极，涂有纳米碳的泡沫镍为工作电极，电解质溶液为6M的KOH溶液。先对工作电极进行活化，方式是在线性扫描循环伏安法模式下循环100段。然后，在线性扫描循环伏安法模式下，在各种扫描速率下测量并记录数据。在电池恒流循环充放电模式下，以0.2、0.5、1、2和5mA/g的条件测量并记录数据。最后采用线性扫描循环伏安法模式，50mV/s的条件下，循环1000段，计算其稳定性。

2 结果与讨论

2.1 纳米碳材料的表征

我们通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对纳米碳材料进行了表征。从图1（a）和（b）可以得出该样品形貌为薄片状，尺寸约为500nm左右。图1（c）是样品的TEM图，从中可以进一步看出薄片结构。通过拉曼光谱测试仪对样品测试，得到图1（d）。通过图1（d）可以明显看到碳材料的D峰和G峰，可以确定样品为纯净的碳材料。

图1 （a）纳米碳高倍镜下扫描电子显微镜图；（b）纳米碳低倍镜下扫描电子显微镜图；（c）纳米碳透射电子显微镜图；（d）纳米碳拉曼光谱图

图2 （a）纳米碳材料在不同扫速下的循环伏安曲线图；（b）纳米碳材料恒电流充放电曲线图；（c）纳米碳材料在不同电流密度下的比电容图；（d）纳米碳材料的循环性能

2.2 电化学性能测试

在6M KOH溶液以5、10、20、50和100mV/s扫描速率测量循环伏安（CV）曲线，如图2（a）所示。CV曲线表明材料具有双电容特性，并且即使在100mV s-1的高扫描速率下也没有失真，表明纳米碳材料电极具有较优异的稳定性。

图2（b）为不同电流密度下纳米碳电极的恒电流充放电曲线，可以看出与循环伏安测试结果一致。每一条恒电流充放电曲线上都是对称上升与下降的，这充分说明充放电过程中有双电层电容反应存在。电极的比电容可以根据以下等式计算：

其中，Cs（F g-1）为电极的比电容，I（A）为放电过程中的电流，Δt（s）为放电时间，ΔV（V）为电位窗，m为活性材料的质量，I（V）是响应电流（A），v（V s-1）是电位扫描速率。在电流密度分别为 0.2、0.5、1、2、2A g-1下，其表现出的电容大小依次是 101.72、70.15、57.7、46.8、26.5Fg-1。所得的比电容如图2（c）所示，可见比电容随着电流的增大而减小。

图2（d）为纳米碳电极材料的循环性能测试结果。以50mV/s的扫描速率进行伏安循环测试，循环1000次。由图可见,纳米碳电极的电容保持率一直保持着略有降低并趋于稳定的状态。1000次循环以后纳米碳电极的比电容下降很少，比电容保持率非常好，说明其经久耐用。结果表明，纳米碳电极的循环稳定性很好。

3 结论

通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱对纳米碳材料进行表征，测试结果表明，样品形貌为纳米结构，且具有较高的纯度。通过对其电化学性能测试，纳米碳材料具有良好的电化学性能，比电容较高，且循环稳定性较好。

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