高功率超级电容器用介孔炭电极材料

以纳米CaCO3为模板、蔗糖为前躯体制备超级电容器用介孔炭电极材料.材料的结构由氮吸附、TEM表征,借助恒流充放电、循环伏安和交流阻抗评价了其在6 mol.L-1KOH电解液中的电化学电容性能.结果表明,蔗糖基介孔炭的比表面积606 m2/g,富含10~30 nm的介孔.恒流放电法测得介孔炭在电流密度50 mA/g下的比电容为125 F/g,大电流倍率性能特别突出.电流密度增大到20 000 mA/g,比电容还保持有88F/g,远高于进口电容炭,该介孔炭是一种很有前景的高功率超级电容器炭电极材料.     

高性能碳基与过渡金属化合物基超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器因其在电动车和便携式设备上巨大的应用潜力而受到广泛关注. 电极材料是超级电容器的关键组成部分, 决定了超级电容器性能的好坏. 近来大量研究以碳材料和过渡金属化合物作为电极材料. 然而, 碳材料电容值极小与过渡金属化合物导电性和稳定性差, 极大地限制了它们在超级电容器中的应用. 本综述重点介绍了我们课题组近年来在设计、可控制备及优化碳材料与过渡金属氧/氮化物电容性能的相关研究工作, 并讨论了材料构效关系及其调控机理. 最后对碳材料和过渡金属化合物作为电极材料的日后研究进行了展望.     

基于过渡金属硫化物/还原氧化石墨烯复合物的高性能超级电容器

组装高能量密度的非对称超级电容器需要使用比电容大、 体积变化小且循环稳定性好的电极材料. 过渡金属硫化物(TMSs)与纳米碳材料的复合物是此类电极材料之一. 采用水热法合成了由Cu-Mo硫化物在微波剥离的还原氧化石墨烯表面生长的复合材料(CuS-MoS₂/MErGO). 此复合材料在电流密度为2 A/g时具有高达861.5 F/g的比电容和良好的循环稳定性. 将1.6 V的电池电压施加在由NiS/MErGO为正极, CuS-MoS₂/MErGO为负极组装成的不对称超级电容器上时, 该电容器的功率密度为1.28 kW/kg, 且能量密度保持为54.2 W·h·kg^-1. 结果表明, TMS复合材料是一种很有前途的高性能电化学储能材料, 尤其是用于非对称超级电容器的组装.     

高性能碳基与过渡金属化合物基超级电容器电极材料的研究进展（英文）

超级电容器因其在电动车和便携式设备上巨大的应用潜力而受到广泛关注.电极材料是超级电容器的关键组成部分,决定了超级电容器性能的好坏.近来,大量研究以碳材料和过渡金属化合物作为电极材料.然而,碳材料电容值极小与过渡金属化合物导电性和稳定性差,极大地限制了它们在超级电容器中的应用.本综述重点介绍了作者课题组近年来在设计、可控制备及优化碳材料与过渡金属氧/氮化物电容性能的相关研究工作,并讨论了材料构效关系及其调控机理.最后,对碳材料和过渡金属化合物作为电极材料的日后研究进行了展望.     

聚乙烯醇基水凝胶聚合物电解质超级电容器的研究

以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）作引发剂引发交联聚乙烯醇（PVA）-戊二醛（GA）制备水凝胶聚合物电解质并组装成超级电容器.分别由红外光谱、交流阻抗、循环伏安与恒电流充放电曲线测定该凝胶聚合物电解质及超级电容器的电化学性能.结果表明,该聚合物电解质电导率可达1.23 mS/cm（室温）.而且,以1.0 g AMPS引发0.05mL GA（5 %）与1.0 g PVA交联,制得的凝胶聚合物电解质超级电容器比电容可达139F/g,50次充放电后其值仍于80%以上.     

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。     

氮掺杂部分石墨化碳/钴铁氧化物复合材料的制备及电化学性能

以甲壳胺（CTS）和钴、铁盐作有机前体与反应物,采用共沉淀法制备了CTS/钴铁层状双金属氢氧化物复合物.样品经过氩气氛、空气氛煅烧,生成氮掺杂部分石墨化碳/钴铁氧化物复合材料（N-PGC/CoFe-TMOs）.CTS热解且被过渡金属催化生成部分石墨化碳,同时原位氮掺杂,氮/碳原子比例约为1/18.N-PGC/CoFe-TMOs具有大孔和介孔结构,用作超级电容器电极材料兼有双电层电容与赝电容特征.在2 A·g^-1电流密度下,复合物比电容达到671.1 F·g^-1,远大于纯钴铁氧化物比电容283.3 F·g^-1,复合物具有典型的协同效应.电流密度增加到10 A·g^-1时,N-PGC/CoFe-TMOs比电容为573.3 F·g^-1,经过5000次充放电循环,复合物比电容保留率为66.4%.制备方法简便、通用,煅烧过程可一步制备氮掺杂的部分石墨化碳并与过渡金属氧化物复合,产物电化学性能优异.     

基于玉米秸秆合成的多孔生物质炭材料及其电化学储能

以玉米秸秆为原料,合成了高比表面积(2167 m²/g)的多孔生物质炭材料。 优化实验条件即可获得性能最佳的生物质炭电极材料,其在电流密度为1 A/g时的比电容高达390 F/g。 更重要的是,以所得最佳多孔生物质炭为电极材料,3 mol/L 的KOH溶液为电解质,组装了液相对称超级电容器。 该超级电容器在功率密度为818 W/kg时,其能量密度高达7 Wh/kg,在循环10000圈后的电容保持率为91.1%。 同时,将两个这种超级电容器串联充电之后,能够点亮15个LED灯并驱动小风扇正常工作。 这些结果表明,将基于玉米秸秆的多孔生物质炭作为先进电极材料应用于超级电容器具有较大的实际应用价值。     

生物质巨菌草衍生炭的合成及在超级电容器中的应用

将巨菌草低温预碳化处理,得到粉末炭质材料(JPC),再用不同比例的KOH在不同温度下进行活化处理,得到了以微孔和介孔分布为主的无定形炭材料(JPCK1).所合成的炭材料JPCK1-900-4X的比表面积高达3368 m²/g,具有较大的孔隙体积和0.95%(原子分数)的氮含量.电化学测试结果表明,JPCK1-900-4X在超级电容器应用中表现出优异的储能潜力;在电流密度为0.5 A/g时其比电容为311.7 F/g,电流密度提高到10 A/g时比电容为230 F/g;在电流密度为10 A/g时经过5000次充放电循环后其电容保持率为97.5%;在两电极体系下,当功率密度为250 W/kg时,其能量密度可达17.7 W·h/kg.     

LiTFSI/2-噁唑烷酮电解液与不同微结构碳材料的电化学兼容性

二（三氟甲基磺酸酰）亚胺锂（LiTFSI）与1,3-氮氧杂环戊-2-酮（OZO）形成的离子液体具有良好的物理和电化学性能,表现出宽的液相温度范围和高的离子电导率,可满足超级电容器的应用需求。本文制备的LiTFSI-OZO离子液体体系中,各种离子的结构组成（如自由离子、离子对、积聚离子）及其之间的相互作用对离子液体的电化学性能具有较大的影响,将其作为电解液应用于不同微结构特性（孔径、比表面积等）的炭材料（碳纳米管(CNTs)、中孔活性炭(MEACs)和微孔活性炭(MIACs)）作为电极的电化学双层电容器中,电化学兼容性研究表明,由于中孔活性炭电极材料有最大的比表面积及最适宜的孔径分布,相应的模拟电容具有最高的比容量184.6 F?g-1。该研究表明,对电极材料的微结构特性与离子液体离子尺度进行优化匹配是实现离子液体作为电解液应用于超级电容器的关键。     

氮掺杂石墨烯量子点/MOF衍生多孔碳纳米片构筑高性能超级电容器

首先采用溶液法在碳布上生长Co-MOF二维纳米片,通过高温退火和刻蚀后得到MOF衍生多孔碳纳米片。以Co-MOF衍生的多孔碳纳米片/碳布(CNS/CC)作为碳基骨架,采用电化学沉积法负载高活性氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs),制备得到分级多孔结构的N-GQD/CNS/CC复合材料。组装成自支撑且无粘结剂的N-GQD/CNS/CC电极,当电流密度为1 A·g~(-1)时,其比电容高达423 F·g~(-1)。通过储能机制和电容贡献机制的研究表明,在碳纤维上原位生长的具有高双电层电容的CNS和表面负载具有高赝电容的N-GQDs之间相互协同作用,使得N-GQD/CNS/CC电极具有高电容性能,是一种理想的超级电容器电极材料。电极材料的高导电、分级多孔结构有利于电子的传输和电解质离子的扩散,具有良好的动力学性能,能快速充放电和具有优异的倍率特性。将电极组装成对称型超级电容器,功率密度为250 W·kg~(-1)时对应的能量密度达到7.9 Wh·kg~(-1),且经过10 000次循环后电容保持率为91.2%,说明氮掺杂石墨烯量子点/MOF衍生多孔碳纳米片复合材料是一种电化学性能稳定的具有高电容性能的全碳电极材料。     

碳纳米管/聚苯胺/石墨烯复合纳米碳纸及其电化学电容行为

通过真空抽滤的方法制备碳纳米管纸,并对其进行循环伏安电化学氧化处理.以该电化学氧化处理的碳纳米管(CV-CNT)纸为基体,采用电化学聚合沉积聚苯胺(PANI),随后吸附石墨烯(GR),制备具有三明治夹心结构的碳纳米管/聚苯胺/石墨烯(CV-CNT/PANI/GR)复合纳米碳纸.该结构外层为GR,内层由PANI包裹的CNT形成网络骨架,充分发挥三者各自优势构建柔性电极材料.用场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱对其形貌与结构进行表征,并测试其电化学性能.研究发现:PANI呈纳米晶须状,并均匀包裹在CV-CNT表面;该复合碳纸具有良好的电容特性、大电流充放电特性以及良好的循环稳定性能.电流密度为0.5A·g-1时,比电容可达415F·g-1;20A·g-1时仍能保持106F·g-1的比电容.由于GR的保护作用,1000次循环之后较CV-CNT/PANI保持更高的有效比电容.该CV-CNT/PANI/GR复合碳纸展现出在高性能超级电容器柔性电极材料的潜在应用价值.     

Cobalt and nitrogen atoms co-doped porous carbon for advanced electrical double-layer capacitors

Electrical double-laye r capacitors are widely concerned fo r their high power density,long cycling life and high cycling efficiency.However,their wide application is limited by their low energy density.In this study,we propose a simple yet environmental friendly method to synthesize cobalt and nitrogen atoms co-doped porous carbon(CoAT-NC) material.Cobalt atoms connected with primarily pyridinic nitrogen atoms can be uniformly dispersed in the amorphous carbon matrix,which is benefit for improving electrical conductivity and density of states of the carbon material.Therefore,an enhanced perfo rmance is expected when CoAT-NC is served as electrode in a supercapacitor device.CoAT-NC displays a good gravimetric capacitance of 160 F/g at 0.5 A/g combing with outstanding capacitance retention of 90% at an extremely high current density of 100 A/g in acid electrolyte.Furthermore,a good energy density of30 Wh/kg can be obtained in the organic electrolyte.     

A biomass carbon material with microtubule bundling and natural O-doping derived from goldenberry calyx and its electrochemical performance in supercapacitor

A promising biomass carbon material,manufactured by the carbonation of Physalis peruviana L.calyx at 700℃,is presented in this wo rk.Morphology characterization shows that the carbon material possesses long microtubule bundling and above 30%natural O-atom component on the surface.After KOH chemical etching,the materials maintain the oxygen content but exhibit more micropores and higher specific surface area up to 1732.6 m^2/g.Using as an electrode material for supercapacitor,the active carbon material exhibits high specific capacitance up to 339.7 F/g at 0.5 A/g in 3 mol/L KOH aqueous solution through three-electrode system.The active carbon material also exhibits excellent cycling stability(97%retention)by 10,000 cycles at 10 A/g.The outstanding electrochemical performances are attributing to the unique long microtubule bundling with much more pores and the abundant Oelement on the surface.This biomass carbon material with excellent electrochemical properties could be a useful material for multiple applications.     

聚苯胺/介孔碳纳米线复合电极材料的制备和性能

以介孔碳纳米线为基体, 通过电化学方法制备了新型聚苯胺/介孔碳纳米线(PANI/MCFs)复合材料, 采用SEM和TEM等手段对样品的结构和形貌进行了表征. 结果表明, 聚苯胺均匀附在介孔碳纳米线表面, 并填充到纳米线介孔孔道中. 将复合材料组装成三电极体系超级电容器, 用循环伏安、 恒流充放电和交流阻抗等方法对材料的电化学性能进行了测试. 结果显示, 在1 mol/L H₂SO₄溶液中, 复合材料的比电容达到391 F/g, 其循环稳定性也得到显著提高.     

纤维素纳米晶模板法制备多级孔炭材料及其电化学性能

以纤维素纳米晶(CNC)为模板,酚醛树脂为碳源,KOH为活化剂,通过高温碳化制备了多级孔炭材料.采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等手段对合成的一系列炭材料进行了表征.结果表明,前驱体中CNC的降解会形成与CNC直径相当的介孔,KOH活化则会导致炭材料产生大量的微孔和大孔,以及部分4 nm左右较小尺度的介孔,所制备炭材料呈现明显的多级孔特性,其比表面积达554.7 m²/g,总孔体积为0.323 cm³/g.以CNC为模板,KOH活化的炭材料作为电极材料时,在1.0 A/g电流密度下其比电容达202.8 F/g,当电流密度升高至40.0 A/g时,其电容保持率仍达69%,表明该炭材料具有优异的倍率性能;由该电极材料组装的超级电容器在10000次充放电循环后,电容保持率达95%以上,具有良好的循环稳定性.     

Nitrogen-doped porous carbon coated on MnCo2O4 nanospheres as electrode materials for high-performance asymmetric supercapacitors

Spinel-based nanostructured materials are commonly used as promising electrode materials for supercapacitor applications. The combination of heteroatom-doped carbon material with spinel oxides substantially improves the specific capacitance and cyclic stability. In this work, dopamine-derived nitrogen-doped carbon was coated on spinel phase MnCo₂O₄ nanospheres using simple solvothermal and calcination methods. Surface morphology and the crystalline structure of the prepared MnCo₂O₄@Nitrogen-doped carbon were confirmed by FESEM and X-ray diffraction. The electrochemical performance of MnCo₂O₄@Nitrogen-doped carbon electrode material was analyzed by cyclic voltammetry, galvanostatic charge–discharge, and electrochemical impedance spectroscopy techniques. MnCo₂O₄@nitrogen-doped carbon exhibits the highest specific capacitance of 1200 F/g compared to MnCo₂O₄ spheres are 726 F/g at 1 A/g and exhibits excellent cyclic stability (capacitance retention of 87% at 7 A/g after 3000 cycles). The enhanced performance of the composite might be benefitted from the synergistic effect between nitrogen-doped carbon on porous MnCo₂O₄ spheres. Furthermore, an asymmetric supercapacitor device was fabricated by using the optimized composition of MnCo₂O₄@NC-2 as a positive electrode and nitrogen, sulfur-doped reduced graphene oxide (NS-rGO) as a negative electrode, respectively. This asymmetric supercapacitor device achieves a maximum energy density of 61.0 Wh/kg at a power density of 2889 W/kg and possesses excellent capacitance retention of 95% after 5000 cycles at 7 A/g.     

基于聚多巴胺的氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能

多孔碳材料由于高的比表面积、优异的电子传导率、良好的化学稳定性等优点在超级电容器电极材料领域被广泛研究。 碳材料的组成及表面孔结构直接影响其电化学性能,为进一步提高碳材料的电容性能,本文首次以聚多巴胺球为前体,KOH为活化剂,通过高温碳化成功制备了良好电化学性能的氮掺杂多孔碳材料。 通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、 X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和Raman光谱等对所制备的氮掺杂多孔碳材料进行了形貌及结构组成的表征。 在6 mol/L KOH电解液中, 采用循环伏安、恒电流充放电对多孔碳材料的电化学性能进行了研究。 结果表明,由于双电层电容和赝电容的协同作用,在电流密度为1 A/g时,材料的比电容可达269 F/g,充放电循环1000圈后电容仍可保留初始值的93.5%。