基于碳纳米纤维以及掺有一些有机添加剂和试剂的活性炭系统制造的超级电容器最近成为人们关注的焦点。超级电容器或电化学电容器因其优异的功率密度和长期循环能力而备受关注。超级电容器凭借其独特的性能在电动工具、电动汽车和便携式设备中得到了广泛的应用。

      例如，电动汽车需要高电流消耗率下的高功率，另一方面，存储器备份系统需要较低电流消耗率下的高能量密度。因此，必须选择设计超级电容器的潜在材料以满足上述特定应用。事实上，电解质和电极是超级电容器的主要组成部分，在电极和电解质的界面上储存电荷。超级电容器的性能很大程度上受到给定电极和电解质表面积的影响。材料性质、表面积、孔径分布、表面基团和电极厚度是对给定超级电容器性能影响可忽略不计的电极特性。众所周知，碳材料因其低成本、化学和热稳定性以及可用的器件形态而被广泛用作电子材料。碳纳米纤维的纳米级管状形态提供了一种独特的组合，具有优异的孔隙率以及基于其结构的电阻率。

什么是超级电容器？

      超级电容器是一种具有高容量的电容器，可以超过电压限制并弥补可充电电池和电解电容器之间的差距。与电解电容器等其他电容器相比，典型的超级电容器每单位体积或质量可存储多10至100倍的电能，并且能够比电池更快地接受和传递电荷，并且能够在多个充电和放电周期中使用可充电电池。超级电容器已在众多充电/放电循环中得到应用，用作长期储能装置，例如火车、公共汽车、汽车、电梯等中使用的储能装置，用于有限存储范围的再生制动。在这种情况下，较小的单元被应用于静态随机存取存储器的备用电源。尽管与普通电容器不同，超级电容器并不使用固体电介质，而是依靠静电双层电容和电化学赝电容运行，两者都能够对电容器的总电容做出贡献，但略有差异。

超级电容器的设计与制造

      超级电容器传统上是使用液体电解质制造的，这种电解质很容易泄漏，并且由于尺寸较小而无法使用。这种趋势促进了固态和凝胶电解质的研究。因此，必须基于定制由新型碳基电材料（包括石墨烯、氧化物石墨烯、碳纳米管，更具体地，碳纳米纤维）组成的电解质来制造增强型储能装置。从技术上讲，石墨烯或石墨碳可以直接在硅表面上制造，具有设计能够嵌入集成系统的片上超级电容器的巨大潜力。迄今为止的研究表明，存在一种简单的途径可以显着提高基于电池电解质设计的超级电容器的质量和性能，这是制造准固体（凝胶）超级电容器的关键。这种正在进行的方法提出了一种新技术，可以开发高度小型化的片上能源系统，完美紧凑的电子设备，并满足对高质量能源存储系统的需求。

用于高效超级电容器的碳纳米纤维和活性炭

      碳纳米纤维是由排列成堆叠石墨烯层的堆叠体的石墨烯层制成的纳米结构圆柱形碳。碳的化学性质已经得到充分和完美的研究，并且作为一种已知具有化学键灵活性的材料，为稳定的无机和有机分子参与反应创造了可用的位点。碳纳米纤维的合成涉及催化化学气相沉积作为最常见的商业技术。事实上，碳被列为一类重要的基于石墨的材料，与碳纳米纤维密切相关。考虑到其结构和性能，碳纤维自20世纪60年代以来一直在工业上进行研究和制造，并作为先进应用航空航天运动、电子设备建筑行业和汽车制造行业的潜在材料，在商业和技术上引起了广泛关注。从化学结构来看，碳纳米纤维可以引入Sp2杂化的线性长丝，直径约为100纳米，具有优异的柔韧性。纳米纤维广泛应用于日常应用，主要是因为其高比表面积、机械强度以及设计刚性复合材料、汽车制造和航空航天技术的灵活性。除了碳纳米纤维之外，活性炭材料也因其低成本、丰富、优异的充放电循环、高稳定性和孔隙率而适用于超级电容器。因此，用碳纳米纤维和活性炭材料制造用于超级电容器的电极需要包含聚四氟乙烯PTFE、聚偏二氟乙烯和聚偏二氯乙烯等粘合剂，以保持定义的镀覆电极的完整性。

基于碳纳米纤维的超级电容器设计

      通过再结晶方法和沉淀将氧化钌（RuO2）纳米棒与碳纳米纤维结合，以研究超级电容器的电容行为。与热处理相关的再结晶在高达300°C的高温和最佳生长条件下精确地进行。该电极材料在氢氧化钾水溶液中表现出良好的电容器性能。

      基于柔性聚苯胺与碳纳米纤维的复合材料已用于制造超级电容器电极。在该应用中，柔性碳是通过溶胶凝胶加工和静电纺丝技术制备的，并通过化学聚合涂覆聚苯胺，通过设计用于电容器的电极来改善电化学性能。这种柔性电气材料在对称超级电容器电池中进行了研究，具有高电容和相当大的循环稳定性，并且在1000个充电周期内电容保持率高达近90%。

      基于碳纳米纤维和活性炭，一些对称电容器可以与在水性电解质中进行的聚偏二氟乙烯聚合物粘合剂结合制造。在此应用中，电极在没有集电器的情况下组装在电化学电池中。碳纳米纤维和碳活化基电极具有优异的孔隙率。根据结果，使用具有低测量等效电阻的碳纳米纤维实现了优异的导电性。碳纳米纤维似乎可以提供理想的比功率和良好的电容行为。

结论

      当今市场上超级电容器的商业化生产基于具有理想的高表面积的碳材料。有利于商业应用的超级电容器被用作激活器的电源、随机存取存储器设备的备用电源以及长期恒定电路和通信设备的元件。它们被认为是电池的最佳替代品，电池通常是低功耗设备，而不是像超级电容器那样具有电容性。由于其独特的结构和性能，碳纳米纤维被认为是设计电极并随后实现具有良好性能的超级电容器的重要碳材料。