电极材料作为超级电容器的核心组成部分之一, 其性能直接决定了器件的整体性能。电极材料主要分为双电层材料和赝电容材料。

用作双电层超级电容器的材料主要是碳基材料, 包括活性炭、 纳米级炭、 石墨烯等。碳基材料的成本比较低, 稳定性高, 电导率比较高, 而且基于物理吸附的双电层储能机制, 其功率密度非常高, 输出电流能够达到几百安(输出电压在3V左右), 所以高性能碳基材料仍然是科学研究与商业应用的热点之一。对于常规碳基材料来说, 充电时电解液离子的吸附只发生在电极表面, 而内部材料往往没有被充分利用, 再加上这种物理吸附本身的限制, 所以这类电极材料的能量密度往往很低。

以活性炭为电极材料, 以Li2SO4为电解液制成超级电容器, 在输出功率为200W/kg 时能量密度为16.9Wh/kg, 将输出功率密度提升到4kW/kg时, 能量密度降为8.4 Wh/kg。提高碳基材料能量密度的关键因素在于提高其比表面积, 改善孔径分布, 调整颗粒尺寸和修饰表面状态。 使用具有不同孔径的3D介孔二氧化硅作为模板, 过期的碳酸饮料作为碳源合成了具有高比表面积和可调孔径和功能化表面的高度有序的中孔碳材料, 该材料具有高比表面积(1400~1810 m2/g)、大孔体积(1.45 ~ 2.81cm3/g) 和可调孔径(3.5 ~ 5.2nm)等优异性质, 制成的电极在1A/g电流密度下比电容最高为284F/g。

采用榆钱为碳源制备出了具有三维脚手架骨架结构的多孔炭纳米片,该材料在KOH电解液里的比电容达470 F/g, 能量密度约11 Wh/kg。将5种废弃茶叶进行高温碳化, 然后再经KOH 溶液活化, 得到了一种无定型活性炭, 比表面积高达2245~2481 m2/g, 以该材料为电极, 以 KOH为电解液, 制成的超级电容器在电流密度为 1 A/g下比电容最大达到330 F/g, 且循环稳定性十分优异。碳纳米管是一种纳米尺度无缝中空管状碳材料, 可看作由石墨卷曲而成, 分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。 碳纳米管的电导率很高, 而且孔径都在2nm以上, 更利于形成双电层, 被人们认为是最理想的超级电容器电极材料。理想的碳纳米管除端头处外, 几乎所有的碳原子都应该是以六边形的形式键合的, 但是在大批量生产时会引入许多五边形和七边形, 性能大大降低, 而且制成电极后存在自放电与团聚现象。通常的解决办法是对碳纳米管电极材料进行表面活化以提高其亲水性, 或者与金属氧化物材料复合来弥补缺点。将MWCNTs 作为电极组成超级电容器, 在1A/g 电流密度下比电容为 62.9F/g, 与二硫化钼复合后 MoS2/MWCNTs 复合材料电极的比电容大幅提高到452.7 F/g。

石墨烯在超级电容器中也有着不俗的应用。石墨烯是一种单层二维材料, 理论比表面积高达 2630m2/g, 稳定性高, 比电容能达到200 F/g以上, 功率特性和循环稳定性也十分优异。简单地将热还原的氧化石墨烯薄膜粉碎成小块, 制备了一种高密度石墨烯薄片(HDGF), 这种石墨烯薄片在保持其致密结构的同时打破了石墨烯薄膜的连续性, 实现了高堆积密度与快速的离子和电子传输,所制备的HDGF同时具有高质量比电容(237 F/g)和体积比电容(261 F/cm3 ), 以及10000次循环后98%初始电容的优异循环稳定性。

实际上, 碳基材料对于任何一种超级电容器来说都是一种优秀的活性物质。但从上述讨论的情况来看, 碳基超级电容器尚存在如下不足: (1)比电容低; (2)能量密度低; (3)可选择性低。第一点不足通常是由于碳基材料的表面利用率低及孔隙分布不均等原因造成的, 常见的解决办法包括灵活地选择碳源、巧妙地设计工艺路线、合理地利用模板等方法, 开发出表面形貌独特、孔隙均匀、分散性好、与电解液浸润程度高的新型碳基材料。第二点不足通常可通过开发新型材料扩大比电容, 选择合适的电解液扩大电势窗口以及与赝电容材料搭配制造非对称型超级电容器等方法改善。 第三点不足是由于相比于赝电容材料, 碳基材料的种类较少, 解决办法是实现材料复合化, 利用不同材料各自的优点, 针对不同情况灵活地开发出不同的材料体系。