3.1.1 雙電層電極材料
雙電層電容器在電荷儲存過程中，其電極材料和電解液中離子不進行化學反應，僅透過正負電荷的靜電作用在電極表面進行異性電荷的吸附與解吸，根據這一原理，要求雙電層電極材料具備優異的電子傳導率、較高的材料比表面積和化學穩定性、材料結構可控和穩定、較寬的工作溫度範圍、較低的原料成本、環境無毒性和使用安全性等效能。
碳材料是最常見的雙電層電極材料，它可提供高的功率密度和極好的循環穩定性。美國Becker於1957年發明的電化學電容器就是以活性碳作為電極材料的。美國標準石油公司於1960年提出可將高比表面積的碳材料用於電化學電容器的能量儲存。經過多年的發展，碳電極材料的製備工藝愈加成熟。
碳材料作為超級電容器理想的電極材料一般應具有以下幾個特點：
①合理的孔結構及孔徑分布，較大的比表面積。
②具有化學惰性，不發生電極反應，易於形成穩定的雙電層。
③純度高，導電性好。
④合適的表面性質，良好的電解液浸潤性。
⑤原料儲量豐富，成本低廉。
碳材料製備技術和工藝的發展使研究者們對碳材料材質、結構和形貌等可更加遊刃有餘地進行調控，製備出多種不同結構的碳材料。總體來講，碳電極材料的比電容與比表面積密切相關，比表面積越大，在電極和電解液介面所富集的電荷就越多，獲得的電容量就越高。因此，可透過多種活化手段和模板法來進行碳材料的修飾和可控製備，以獲得高比表面積、孔徑分布和孔尺寸均一且孔結構可調的活性多孔碳材料。目前，應用於雙電層電容器的碳材料主要有活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳氣凝膠等。
3.1.1.1 活性碳
活性碳（activated carbon）是一種具有豐富孔隙結構和較高比表面積的多孔碳材料，具有吸附能力強、化學穩定性好等優點，廣泛應用於工業、能源、農業、醫療衛生和環境保護等領域。它通常由有機原料如木材或廢物轉化而來，並透過高溫熱解過程製備而成。活性碳具有極高的比表面積、豐富的孔隙結構以及良好的化學穩定性，這些特性賦予了活性碳出色的電容效能，使其成為超級電容器電極材料的理想選擇。近年來，活性碳應用於超級電容器電極材料方面也備受關注。活性碳電極具有以下優點：
①比表面積大，孔隙結構發達，能夠吸附大量的電解液。
②在各種溶液中化學穩定性好。
③可在較寬的溫度範圍內保持穩定的電化學效能。
④來源豐富，成本低廉，易加工。
⑤對環境無汙染。
活性碳一般是在惰性氣體下對含碳前驅體進行熱處理（碳化），然後再透過物理或化學活化來增大其比表面積。前驅體一般可以從自然界中的果殼（如椰殼、木材等）、瀝青、焦炭以及特定的合成聚合物獲得。
物理活化是使用二氧化碳（CO2）或水蒸氣對碳前驅體進行可控的氣化過程，如式（3-1）和式（3-2）所示：
C + CO2 → 2CO （3-1）
C + H2O → CO + H2 （3-2）
所製備的多孔碳材料可透過活化在其結構中引入微孔（孔徑＜2nm）結構，進一步提高材料的比表面積。相比於初始多孔碳電極材料，活化後的碳材料因具有較大的電荷富集表面積，表現出較高的比容量和較佳的倍率效能。化學活化是在400～700℃（低溫）下使用活化劑，如氫氧化鉀、氧化鈉、磷酸、氯化鋅等進行活化。
採用KOH直接活化氧化石墨烯（GO）和聚四氟乙烯（PTFE），簡單地製備出具有分級多孔結構和高比表面積的片狀奈米碳（HPSNC）。他們透過改變氧化石墨烯與聚四氟乙烯的質量比，獲得比表面積為880～1992m2/g、孔體積為0.74～1.90cm3/g的片狀奈米碳。具有分層孔隙率的片狀奈米碳在［Emim］［BF4］電解質中表現出51.7W·h/kg的高能量密度和35kW/kg的高功率密度，具有優異的電化學效能。
Mohammed等以猴麵包樹果殼（BFS）為前驅體，使用兩種不同的活化劑製備了猴麵包樹果殼衍生碳（BFSC），BFSC中含有O、N、P或S等雜原子，可以提升電化學效能。使用KOH活化的生物質衍生活性碳記為BFSC1，使用H3PO4活化的記為BFSC2。由於H3PO4活化比KOH活化的離子轉移電阻更小，所以BFSC2具有更好的電化學效能。在電流密度為1A/g時分別獲得233.5F/g和355.8F/g的比電容。此外，基於BFSC電極組裝的柔性全固態超級電容器裝置在1A/g的電流密度下具有58.7F/g的比電容、20.86W·h/kg的能量密度和400W/kg的功率密度。並且在1000次循環後裝置的循環穩定性幾乎不變。因此，碳基超級電容器電極材料可以提供高比電容和長循環穩定性。
3.1.1.2 奈米碳管
相比於傳統多孔碳材料，奈米碳管（carbon nanotube，CNT）具有更為規則的外部陣列和內部孔道結構，被認為是較為理想的超級電容器電極材料。1991年日本科學家Sumio Iijima透過高解析度透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察電弧法製備的富勒烯時發現了奈米碳管材料。奈米碳管是一種奈米尺度具有完整分子結構的一維量子材料，可以看成是由碳原子形成的石墨烯捲成的無縫、中空管體。其管徑一般為幾奈米到幾十奈米，長度為微米級，具有較大的長徑比。按照組成奈米碳管的碳原子層數的不同，可將其分為由單層碳捲曲而成的單壁奈米碳管（single-wall carbon nanotube，SWCNT）和由多層碳捲曲疊加而成的多壁奈米碳管（multi-wall carbon nanotube，MWCNT）。SWCNT和MWCNT都具有良好的導電性，但由於比表面積的限制，MWCNT在超級電容器中的應用比SWCNT少。SWCNT的線型結構使其表面易於接近電解質，而且其互連性結構和更高的導電性也更有利於電解液離子和電子的快速傳輸。針對奈米碳管較低的比表面積，研究人員也透過KOH溶液化學活化的方法來增大其比表面積，從而提高比電容和能量密度。
奈米碳管在大多數電解質中還具有耐腐蝕性和良好的化學穩定性，並且具有快速的離子轉移機制，可以在介面處進行充分的電化學反應。此外，它們的介孔特性使電解質更容易擴散，有助於降低等效串聯電阻，從而提高輸出功率。相關研究探索了奈米碳管的製備工藝、正規化和陣列，以獲得具有優異電化學效能的奈米碳管電極材料。
Chen等以陽極氧化鋁（anodic aluminums oxide，AAO）為模板，用化學氣相沉積法由乙炔（C2H2）製備有序奈米碳管陣列，在末端噴金（作為集流體）後，用硫酸洗去AAO模板和催化劑。取直徑8mm的圓片作為工作電極，鉑電極和飽和甘汞電極分別作輔助電極和參比電極，以1mol/L的H2SO4溶液為電解液，組成三電極體系。電化學效能測試發現：其循環伏安曲線有明顯的氧化還原峰，這說明其表面含有豐富的氧官能基。在210mA/g的電流密度下進行恆流充放電測試，其比電容高達365F/g；電流密度增大到1.05A/g，其比電容仍高達306F/g，僅下降16％。表明該電極具有好的功率特性。另外，有序奈米碳管陣列電極還具有低的等效串聯內阻和良好的循環穩定性。
雙電層電容器在電荷儲存過程中，其電極材料和電解液中離子不進行化學反應，僅透過正負電荷的靜電作用在電極表面進行異性電荷的吸附與解吸，根據這一原理，要求雙電層電極材料具備優異的電子傳導率、較高的材料比表面積和化學穩定性、材料結構可控和穩定、較寬的工作溫度範圍、較低的原料成本、環境無毒性和使用安全性等效能。
碳材料是最常見的雙電層電極材料，它可提供高的功率密度和極好的循環穩定性。美國Becker於1957年發明的電化學電容器就是以活性碳作為電極材料的。美國標準石油公司於1960年提出可將高比表面積的碳材料用於電化學電容器的能量儲存。經過多年的發展，碳電極材料的製備工藝愈加成熟。
碳材料作為超級電容器理想的電極材料一般應具有以下幾個特點：
①合理的孔結構及孔徑分布，較大的比表面積。
②具有化學惰性，不發生電極反應，易於形成穩定的雙電層。
③純度高，導電性好。
④合適的表面性質，良好的電解液浸潤性。
⑤原料儲量豐富，成本低廉。
碳材料製備技術和工藝的發展使研究者們對碳材料材質、結構和形貌等可更加遊刃有餘地進行調控，製備出多種不同結構的碳材料。總體來講，碳電極材料的比電容與比表面積密切相關，比表面積越大，在電極和電解液介面所富集的電荷就越多，獲得的電容量就越高。因此，可透過多種活化手段和模板法來進行碳材料的修飾和可控製備，以獲得高比表面積、孔徑分布和孔尺寸均一且孔結構可調的活性多孔碳材料。目前，應用於雙電層電容器的碳材料主要有活性碳、奈米碳管、石墨烯和碳氣凝膠等。
3.1.1.1 活性碳
活性碳（activated carbon）是一種具有豐富孔隙結構和較高比表面積的多孔碳材料，具有吸附能力強、化學穩定性好等優點，廣泛應用於工業、能源、農業、醫療衛生和環境保護等領域。它通常由有機原料如木材或廢物轉化而來，並透過高溫熱解過程製備而成。活性碳具有極高的比表面積、豐富的孔隙結構以及良好的化學穩定性，這些特性賦予了活性碳出色的電容效能，使其成為超級電容器電極材料的理想選擇。近年來，活性碳應用於超級電容器電極材料方面也備受關注。活性碳電極具有以下優點：
①比表面積大，孔隙結構發達，能夠吸附大量的電解液。
②在各種溶液中化學穩定性好。
③可在較寬的溫度範圍內保持穩定的電化學效能。
④來源豐富，成本低廉，易加工。
⑤對環境無汙染。
活性碳一般是在惰性氣體下對含碳前驅體進行熱處理（碳化），然後再透過物理或化學活化來增大其比表面積。前驅體一般可以從自然界中的果殼（如椰殼、木材等）、瀝青、焦炭以及特定的合成聚合物獲得。
物理活化是使用二氧化碳（CO2）或水蒸氣對碳前驅體進行可控的氣化過程，如式（3-1）和式（3-2）所示：
C + CO2 → 2CO （3-1）
C + H2O → CO + H2 （3-2）
所製備的多孔碳材料可透過活化在其結構中引入微孔（孔徑＜2nm）結構，進一步提高材料的比表面積。相比於初始多孔碳電極材料，活化後的碳材料因具有較大的電荷富集表面積，表現出較高的比容量和較佳的倍率效能。化學活化是在400～700℃（低溫）下使用活化劑，如氫氧化鉀、氧化鈉、磷酸、氯化鋅等進行活化。
採用KOH直接活化氧化石墨烯（GO）和聚四氟乙烯（PTFE），簡單地製備出具有分級多孔結構和高比表面積的片狀奈米碳（HPSNC）。他們透過改變氧化石墨烯與聚四氟乙烯的質量比，獲得比表面積為880～1992m2/g、孔體積為0.74～1.90cm3/g的片狀奈米碳。具有分層孔隙率的片狀奈米碳在［Emim］［BF4］電解質中表現出51.7W·h/kg的高能量密度和35kW/kg的高功率密度，具有優異的電化學效能。
Mohammed等以猴麵包樹果殼（BFS）為前驅體，使用兩種不同的活化劑製備了猴麵包樹果殼衍生碳（BFSC），BFSC中含有O、N、P或S等雜原子，可以提升電化學效能。使用KOH活化的生物質衍生活性碳記為BFSC1，使用H3PO4活化的記為BFSC2。由於H3PO4活化比KOH活化的離子轉移電阻更小，所以BFSC2具有更好的電化學效能。在電流密度為1A/g時分別獲得233.5F/g和355.8F/g的比電容。此外，基於BFSC電極組裝的柔性全固態超級電容器裝置在1A/g的電流密度下具有58.7F/g的比電容、20.86W·h/kg的能量密度和400W/kg的功率密度。並且在1000次循環後裝置的循環穩定性幾乎不變。因此，碳基超級電容器電極材料可以提供高比電容和長循環穩定性。
3.1.1.2 奈米碳管
相比於傳統多孔碳材料，奈米碳管（carbon nanotube，CNT）具有更為規則的外部陣列和內部孔道結構，被認為是較為理想的超級電容器電極材料。1991年日本科學家Sumio Iijima透過高解析度透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察電弧法製備的富勒烯時發現了奈米碳管材料。奈米碳管是一種奈米尺度具有完整分子結構的一維量子材料，可以看成是由碳原子形成的石墨烯捲成的無縫、中空管體。其管徑一般為幾奈米到幾十奈米，長度為微米級，具有較大的長徑比。按照組成奈米碳管的碳原子層數的不同，可將其分為由單層碳捲曲而成的單壁奈米碳管（single-wall carbon nanotube，SWCNT）和由多層碳捲曲疊加而成的多壁奈米碳管（multi-wall carbon nanotube，MWCNT）。SWCNT和MWCNT都具有良好的導電性，但由於比表面積的限制，MWCNT在超級電容器中的應用比SWCNT少。SWCNT的線型結構使其表面易於接近電解質，而且其互連性結構和更高的導電性也更有利於電解液離子和電子的快速傳輸。針對奈米碳管較低的比表面積，研究人員也透過KOH溶液化學活化的方法來增大其比表面積，從而提高比電容和能量密度。
奈米碳管在大多數電解質中還具有耐腐蝕性和良好的化學穩定性，並且具有快速的離子轉移機制，可以在介面處進行充分的電化學反應。此外，它們的介孔特性使電解質更容易擴散，有助於降低等效串聯電阻，從而提高輸出功率。相關研究探索了奈米碳管的製備工藝、正規化和陣列，以獲得具有優異電化學效能的奈米碳管電極材料。
Chen等以陽極氧化鋁（anodic aluminums oxide，AAO）為模板，用化學氣相沉積法由乙炔（C2H2）製備有序奈米碳管陣列，在末端噴金（作為集流體）後，用硫酸洗去AAO模板和催化劑。取直徑8mm的圓片作為工作電極，鉑電極和飽和甘汞電極分別作輔助電極和參比電極，以1mol/L的H2SO4溶液為電解液，組成三電極體系。電化學效能測試發現：其循環伏安曲線有明顯的氧化還原峰，這說明其表面含有豐富的氧官能基。在210mA/g的電流密度下進行恆流充放電測試，其比電容高達365F/g；電流密度增大到1.05A/g，其比電容仍高達306F/g，僅下降16％。表明該電極具有好的功率特性。另外，有序奈米碳管陣列電極還具有低的等效串聯內阻和良好的循環穩定性。
