碳基超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是近年迅速发展起来的一种新型储能元件,决定超级电容器性能的最重要因素是电极材料。碳材料以其比电容高、循环寿命长和资源丰富等优点,已经成为当前超级电容器电极材料的有力竞争者。用作超级电容器电极的碳材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。本文详细介绍了超级电容器用碳材料的特点、应用及发展状况,并指出制备具有大比表面积和高导电率的多孔碳是当前碳材料电极的主要研究方向。     

超级电容器炭电极材料的研究

炭电极材料是超级电容器的核心,该领域的研究近年来相当活跃,活性炭粉、活性炭纤维、碳凝胶、碳纳米管、玻态炭、模板炭、碳化物衍生炭、石墨烯等各种多孔炭材料用作超级电容器电极材料的研究都有报道.本文概述了我们近年来在超级电容器炭电极材料方面的研究工作,主要介绍了强碱化学活化制备活性炭电极材料、纳米CaCO3模板法制备介孔炭电...     

碳纳米管/石墨烯复合结构及其电化学电容行为

本文综述了超级电容器电极材料碳纳米管/石墨烯复合结构的制备方法,以及由该结构和赝电容活性物质形成的三元复合体系的电化学电容行为研究进展,并提出合理设计的碳纳米管和石墨烯复合结构可以有效发挥其高电导率、高比表面积和合理孔隙结构的优势,实现活性物质的高密度负载,从而获得具有高容量、良好倍率特性和长寿命的电化学超级电容器电极材料。     

高容量超级电容器电极材料的设计与制备

超级电容器寿命长,安全性高,并可以实现快速充放电,是化学电源研究的热点之一。然而,超级电容器的能量密度较低限制了其更多的应用。因此,超级电容器领域的研究关注点在如何提高超级电容器的能量密度。其中,提高比容量是提高能量密度的一种有效途径。本文通过对电极材料和电解液的优化来研究制备得到高容量超级电容器的方法。电极材料的比表面积、孔道结构和导电性对其电化学性能有着直接的影响。一方面,通过优化电极材料的孔道结构和比表面积可以增加活性位点并提高电解液离子传导率,从而得到高比电容。另一方面,电极材料导电性的提高有利于提升其电子传导率从而得到较高的比容量。本文分别对碳材料和金属氧化物/氢氧化物的优化达到了增加双电层电容和赝电容的目的。不仅如此,还可以通过在电解液中增加氧化还原电对从而得到高比电容。这一方法为高容量超级电容器的制备提供了新的思路。     

多孔碳材料的模板法制备、活化处理及储能应用

简要介绍了广义模板法制备多孔碳材料的研究现状,并进一步阐述了应用传统活化法对模板法制备的多孔碳材料进行结构调控. 最后,详细介绍了多孔碳材料在氢气吸附以及超级电容器用电极材料等储能领域的应用.     

糖蜜基多孔碳球电极材料的制备及应用

以工业制糖的副产物糖蜜为新型碳源,替代传统多孔碳生产原料,制备出性能优异的多孔碳球超级电容器电极材料;探索了制备方法,优化了反应条件.利用全功能表面吸附仪、扫描电子显微镜及电化学方法对材料的结构、形貌和电化学性能进行了表征.结果表明,制得的多孔碳球比表面积高达2547 m~2/g,且展现出优异的双电层电容性(170.5 F/g).本研究可解决制糖企业对糖蜜无法大规模利用的问题,并为多孔碳的制备寻求新方法.     

碳基三维自支撑超级电容器电极材料研究进展

自支撑电极材料在超级电容器中有着广泛的应用. 碳材料具有结构多样、来源丰富、价格低廉以及性能稳定等优点,是构建三维自支撑电极材料的首选基底材料. 本文结合作者课题组的研究工作,从“由上而下”和“由下而上”两个方面,概述了设计、制备三维自支撑电极材料的常用方法及材料的电容性能,希望对开发利用天然可再生资源,制备高性能的自支撑电极材料及其在超级电容器材料中的应用有所帮助.     

电纺纤维在超级电容器中的应用

对高性能超级电容器不断增长的需求促进了电极隔膜和电极材料的快速发展。静电纺丝法制备的纳米纤维具有较高的孔隙率、较好电化学活性、较大的表面积以及良好的结构稳定性等优点,已被广泛应用于超级电容器的隔膜和电极材料。本文简要综述了近年来电纺纳米纤维在超级电容器用隔膜和电极材料的研究进展;着重讨论了通过静电纺丝和其他后处理方法制备的碳基纳米纤维、碳基复合纳米纤维、导电聚合物基复合纳米纤维和金属氧化物纳米纤维等用于超级电容器的电极材料。研究表明,多孔结构的构建、活化处理以及杂原子掺杂可以提高碳纳米纤维的比表面积、电化学活性、润湿性和石墨化程度,从而增强其电化学性能。此外,通过共混、化学沉积和电化学沉积等方法,将碳纳米纤维与金属氧化物、导电聚合物结合,可以改善其电容、倍率性能和循环稳定性。最后,提出上述研究中存在的问题,并对未来静电纺丝纳米纤维材料在超级电容器的发展前景进行了展望。     

有序介孔碳的简易模板法制备与电化学电容性能研究

0引言电化学电容器(Electrochemical Capacitors),又称为超级电容器(supercapacitors)是介于传统电容器和二次电池之间的一种新型储能装置,它具有循环寿命长、比容量高、能快速充放电等优点[1,2]。近年来随着电子、电气设备的日趋小型化以及电动汽车工业的不断发展,作为后备电源和记忆候补装置的超级电容器日益引起了人们的广泛关注。碳材料由于具有成本低、比表面积大、导电性优良、制备电极工艺简单等特点,一直是超级电容器电极材料的首选。其中,活性炭是最早采用的多孔电极材料,其比表面积可高达2500￣3000m·2g-1[3]。然而,活性炭材料…     

共价有机骨架衍生碳基材料的制备及其电化学性能

设计具有多孔结构、比表面积大的高性能电极材料对于发展高能量密度的超级电容器尤为重 要。 在此,我们以共价有机骨架材料（Covalent organic framework,COF）为前驱体,通过简单热处理构建出一种氮掺杂的多孔碳纳米材料作为超级电容器电极材料。 该材料显示出高导电性和高表面积,当这种碳材料应用于超级电容器作为负极时表现出高的面积比容量。 在电流密度为 1mA?cm - 2时,其面积比容量可达 266. 58mF?cm - 2 ;即使电流密度为 20mA?cm - 2 时,面积比容量仍保持 71. 7% ,表现出很好的倍率性能;并且,该材料循环 3000 圈后依然具有 84. 8% 的容量保持率。阻抗测试表明,这种碳材料的电等效电阻约为 0. 9Ω。 本工作提出的共价有机骨架衍生的氮掺杂的多孔碳具有优越的电化学性能,为发展高性能超级电容器提供了新的方向。     

多孔碳材料的化学气相后处理及其超级电容性能

以廉价的椰壳为原料制备了高比表面积的多孔碳材料,然后在密闭的反应釜中以硝酸蒸汽对多孔碳材料进行了后处理,制备了亲水性更好的多孔碳材料。采用扫描透射电子显微镜(TEM)、物理吸附、X射线粉末衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和接触角测试对材料的微观形貌、孔道结构、组成和亲水性进行了表征,探究了不同温度下硝酸蒸汽对多孔碳材料的形貌、结构的影响,并采用循环伏安法、恒电流充放电法和交流阻抗法考察了多孔碳材料的超级电容性能。结果表明,经过硝酸蒸汽处理后的多孔碳材料的比表面积和孔体积均有所降低,且随着处理温度的升高,降低得更加明显,而亲水性却越来越好。电化学测试结果表明,经过100℃硝酸蒸汽处理的多孔碳材料(CSC-100)具有最佳的超级电容性能。在以6 mol·L^-1 KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^-1时CSC-100的比电容可达452.9 F·g^-1,而未经硝酸蒸汽处理的多孔碳材料(CSC)的比电容仅为350.4 F·g^-1。电容贡献分析表明CSC-100良好的亲水性和表面官能团不仅提高了双电层电容,也提高了赝电容。     

离子液体辅助条件下由稻壳合成超级电容器用多孔炭

本文以稻壳为碳源,以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF₆)为模板和辅助活化剂制备了多孔炭材料（PCs）. 多孔炭的比表面积达1438 m²·g^-1,总孔容达0.75 cm³·g^-1. 以PCs为超级电容器电极材料,6 mol·L^-1的KOH溶液为电解液组装成扣式电池,在0.05 A·g^-1的电流密度下,比电容高达256 F·g^-1;当电流密度增大至10 A·g^-1,其比电容仍保持在211 F·g^-1,展现出好的倍率性能. 所得的多孔炭电极均表现出优异的循环稳定性. 这一工作以BMIMPF₆作为模板和辅助活化剂,为合成生物质基超级电容器用多孔炭提供了一种新方法.     

电化学双电层电容器电极材料——豌豆荚基活性炭的制备与表征

以豌豆荚为碳源、ZnCl₂或KOH为活化剂制备了活性炭, 并用作双电层电容器的电极材料. 采用比表面及孔隙度分析仪表征了豌豆荚基活性炭的孔结构. 通过KOH或ZnCl₂活化后, 活性炭比表面积从1.69 m²·g^-1增大到2237或621 m²·g^-1. 采用循环伏安法和恒流充放电测试技术表征了豌豆荚基活性炭的电化学特性. 结果表明: 在6 mol·L^-1 KOH溶液中经KOH活化处理的活性炭的质量比电容高达297.5 F·g^-1, 并具有良好的充放电稳定性, 在5 A·g^-1的高电流密度下循环充放电500次后, 质量比电容仅衰减8.6%.     

Preparation and performance of polyvinyl alcohol-based activated carbon as electrode material in both aqueous and organic electrolytes

Porous carbon materials with high surface area and different pore structure have been successfully prepared by phenolic resin combined with polyvinyl alcohol (PVA) and KOH as activation agents. The surface morphology, structure, and specific surface area of the carbon materials were studied by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and nitrogen sorption measurement, respectively. Furthermore, the effects of specific surface area, pore structure, and electrolyte on electrochemical properties were investigated by galvanostatic charge–discharge measurement. The results show that KOH–PVA-activated carbon materials display specific capacitance as high as 218 F?g^?1 in 30 wt.% KOH aqueous electrolyte, 147 F?g^?1 in 1 M LiPF₆/(ethylene carbonate (EC) + dimethyl carbonate) (1:1?v/v), and 115 F?g^?1 in 1 M Et₃MeNBF₄/propylene carbonate organic electrolyte, respectively. In addition, the carbon materials demonstrate long-term cycle stability, especially the AK3P-0.30 in aqueous electrolyte and the AK2P-0.30 with excellent rate capability in organic electrolyte. These reveal that the existence of a micro-mesoporous structure of activated carbon is beneficial to store energy in an aqueous supercapacitor and broad pore size distribution of activated carbon is favorable to energy storage in an organic supercapacitor. The carbon materials with pore size distribution in different ranges improve the electrochemical performance of supercapacitor in different electrolytes. A new pore-expand agent (PVA combining with KOH) was used to obtain porous carbons with enhanced properties for supercapacitor.     

蟹壳基氮/氧共掺杂多孔炭的原位制备及其超级电容器性能

采用废弃蟹壳为碳源,KOH为活化剂原位制备了氮/氧共掺杂多孔炭,并研究其作为电极材料在超级电容器中的应用。 固定蟹壳与KOH的质量比为5:3,考察了煅烧温度对所得炭材料产率、孔结构和氮氧含量的影响。 结果表明,蟹壳基炭材料的孔结构和氮/氧含量可通过改变煅烧温度调变。 随着煅烧温度从500 ℃上升至700 ℃,多孔炭的比表面积和孔体积逐渐增大,而氮/氧含量随温度升高则降低。 采用循环伏安和恒流充放电对所得材料的电化学性能进行测试。 结果表明,所得多孔炭的电化学性能取决于其孔结构与氮/氧表面性质的协同作用,其中煅烧温度为600 ℃所得的多孔炭比表面积为612 m²/g,氮和氧含量分别为3.53%和32.8%,在50 mA/g的电流密度下比电容达到310 F/g,循环1000次比电容仍然保持95%以上,展现出良好的电化学性能。     

High-capacity porous carbons prepared by KOH activation of activated carbon for supercapacitors

High-performance supercapacitor electrode materials are prepared from the commercially available activated carbon （AC） through a facile and low-cost chemical activation method. The obtained results show that AC activated by KOH with an alkali/carbon ratio of 6/1 （ACK6） possesses a specific surface area of 3405 m^2/g, a large pore volume of 2.01 cm^3/g, and exhibits the highest initial specific capacitance of 335 F/g at the current density of 0.5 A/g in 6 mol/L KOH, and 85% coloumbic efficiency for 5000 cycles at 20 mV/s.     

Effect of surface area and heteroatom of porous carbon materials on electrochemical capacitance in aqueous and organic electrolytes

A series of porous carbon materials with wide range of specific surface areas and different heteroatom contents had been prepared using polyaniline as carbon precursor and KOH as an activating agent. Effect of surface area and heteroatom of porous carbon materials on specific capacitance was investigated thoroughly in two typical aqueous KOH and organic 1-butyl-3- methylimidazolium tetrafluoroborate/acetonitirle electrolytes. The different trends of capacitance performance were observed in these two electrolytes. Electrochemical analyses suggested that the presence of faradaic interactions on heteroatom-enriched carbon materials in organic environment is less significant than that observed in aqueous electrolytes. Thus, in aqueous electrolyte, a balance between surface area and heteroatom content of activated porous carbon would be found to develop a supercapacitor with high energy density. In organic electrolyte, the capacitance performance of porous carbon is strongly dependent on the surface area. The results may be useful for the design of porous carbon-based supercapacitor with the desired capacitive performance in aqueous and organic electrolytes.     

Sub-nanopores-containing N,O-codoped porous carbon from molecular-scale networked polymer hydrogel for solid-state supercapacitor

A template-free carbonization-activation route is developed to fabricate sub-nanopore-containing porous carbon by using a novel polypyrrole(PPy) hydrogel as a precursor.This design of PPy hydrogel precursor containing molecular-scale grids(diameter～2.0 nm) allows for homogeneous N,O-codoping into the porous carbon scaffold during the pyrolysis process.A subsequent activation step produces activated porous carbons(APCs) with tailored pore structures,which renders the APCs abundant subnanopores on their surface to increase the specific capacitance as extra capacitance sites.Coupled with large specific surface area and abundant heteroatoms,the optimized APC4/1 displays excellent specific capacitance of 379 F/g for liquid-state supercapacitor and 230 F/g for solid-state supercapacitor.The solid-state supercapacitor shows a high energy density of 22.99 Wh/kg at power density of 420 W/kg,which is higher than most reported porous carbon materials and satisfy the urgent requirements of elementary power source for electric vehicles.Moreover,this method can be easily modified to fabricate sub-nanopore-containing porous carbons with preferred structures and compositions for many applications.     

蜂巢状多孔明胶制备高性能超级电容器用活性炭

近年来,以生物质为前驱体来制备碳材料因其资源丰富、廉价易得、无污染且可再生等优点而引起人们的广泛关注。本文将生物质明胶制备成呈蜂巢状的多孔结构,并以此为前驱体经碳化、活化制备活性炭。研究表明,与商品化明胶相比,由多孔明胶所制备的活性炭其比表面积(可高达3692 m~2?g1)及超级电容器性能均有明显提升。在6 mol?L~(-1) KOH水溶液中,由多孔明胶经600°C碳化、700°C KOH活化所制备的活性炭,在1 A?g~(-1)的放电容量为357 F?g~(-1),即使在100 A?g~(-1)的大电流密度下,其比电容仍可维持在227 F?g~(-1)。活性炭样品也表现出优异的循环稳定性,在10 A?g~(-1)下经7500圈循环稳定性测试后,其初始容量保持率高达93.0%。而且,以该活性炭组装的对称型超级电容器,在250、2500及25000 W?kg~(-1)的功率密度下,其能量密度分别为10.3、9.7和8.2 Wh?kg~(-1);在10 A?g~(-1)下经10000次循环后,容量保持率高达97.6%。这些研究结果表明由蜂巢状多孔明胶所制备的活性炭在高性能超级电容器中具有巨大的应用潜力。     

超级电容器用相互连接的类石墨烯纳米片

采用氧化镁模板耦合原位氢氧化钾活化法制备了超级电容器用煤焦油基相互连接的类石墨烯纳米片(IGNSs)。所制备的IGNS具有高达2887 m~2·g~(-1)的比表面积和大量的分级短孔。当作为超级电容器的电极材料时,在6 mol·L~(-1) KOH电解液中,于0.05 A·g~(-1)的电流密度下,IGNS显示出313 F·g~(-1)的高比容;在20 A·g~(-1)的电流密度下,IGNS的比电容为261F·g~(-1),显示了好的倍率性能;经过10000次循环测试后,其容量保持率为92.7%,展现了优异的循环稳定性。这一工作为从芳烃分子大规模生产高性能储能用类石墨烯纳米片提供了一种简单的方法。