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。     

碳基双电层电容器的结构、机理及研究进展

活性炭基双电层电容器是一种新型电化学能量储存装置,其储电机理是利用电极材料比较大的比表面积在电极和电解液之间形成双电层储存电荷,充放电过程中无化学反应发生。活性炭材料由于具有较大的比表面积、良好的孔结构分布、化学惰性表面等,一直是双电层电容器电极的首选材料。本文简要介绍了双电层电容器的制造工艺、应用及发展趋势。     

基于金属氧化物的赝电容器

电极是电化学超级电容器的重要组成部分,电极材料是决定超级电容器性能的最重要因素。金属氧化物电极材料兼有双电层电容和准电容性质,其比电容远远大于活性炭材料表面的双电层电容,基于金属氧化物电极材料的超级电容器具有使用寿命长、维护简单等优点,是一种新型、高效、实用的能量存储装置,引起研究者的广泛兴趣。本文综述了基于金属氧化物电极材料的赝电容器的储能原理、类型和性能的研究现状,并展望了其发展前景。     

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。     

碳纳米管用作超级电容器电极材料

碳纳米管由于具有化学稳定性好、比表面积大、导电性好和密度小等优点，是很有前景的超级电容器电极材料。本文介绍了碳纳米管用作超级电容器电极材料的研究现状，总结了单纯碳纳米管电极材料和碳纳米管复合物电极材料的特点与性能，并探讨了今后碳纳米管电极材料的发展方向。     

混合型超级电容器的研究进展

与传统的二次电池相比,超级电容器具有长寿命、高功率密度的特点,但是能量密度较低.本文主要介绍了混合超级电容器的发展状况以及电极材料的最新研究进展.目前有许多研究工作者都致力于改善超级电容器体系的能量密度,一个有效的途径是提高电容器电极材料的比电容,另一个途径则应用不对称混合型超级电容器体系,即一个电极采用电极活性炭电极...     

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...     

提高电容性电化学储能装置能量容量的一些尝试

本文从作者所在的课题组在超级电容器和超级电容电池方向的研究内容为基础,在电极材料和装置层面综述了电容性电化学储能装置的发展. 导电聚合物和过渡金属氧化物分别与碳纳米管复合后的复合物能显著提高前两者作为电容性法拉第储能电极的电容性能. 活性炭和碳黑等一类碳材料则可作为非法拉第储能的电极材料. 通过对超级电容器正负极电容做相应的匹配调整可以提高超级电容器的最大充电电压,从而提高超级电容器的能量容量. 此外,为了与实际设备相匹配,超级电容可以以双极板的方式串联堆积,满足高电压的需求. 超级电容电池作为新一代的电容性电化学储能装置,分别由具有电容性和法拉第电荷储存原理的电极组成,具有高比功率和高比能量的特点,也是近年来的研究热点.     

高比能超级电容器的研究进展

与传统蓄电池相比,超级电容器具有高功率密度、长循环寿命和使用温度范围宽等优势,但其能量密度较低.本文对超级电容器的结构、分类以及发展状况进行了简要介绍,重点阐述了本实验室近年来在研制高性能超级电容器方面的相关工作.主要从两个方面来提高超级电容器的能量密度:(1)通过采用中性水系电解液、有机电解液和离子液体提高对称型碳基超级电容器的电压窗口;(2)应用非对称型超级电容器,即一个电极采用具有法拉第赝电容电极材料或电池电极材料,而另一个电极则采用具有双电层电容的电极材料.同时介绍了由锂离子电池电极材料/活性炭作为正极,石墨作为负极组成的锂离子混合型超级电容器.最后,对超级电容器的发展方向进行了展望.     

活性炭二次活化对其电化学容量的影响

为进一步提高作为电化学超级电容器电极材料活性炭的电化学容量, 采用KOH作为二次活性剂, 将所得活性炭进行二次化学活化处理, 从而得到二次活化活性炭. 将原始活性炭材料与二次活化活性炭材料都分别经过系列处理, 组装成电化学超级电容器进行电化学性能测试. 测试结果表明, 二次活化活性炭材料的电化学容量达到145.0 F·g-1(有机电解液), 远远大于原活性炭材料的容量(45.0 F·g-1). 为研究二次活化活性炭材料电化学容量大幅提高的原因, 将这两种材料分别进行微观结构数据测试, 包括比表面积、N2吸脱附等温曲线和孔径分布. 研究结果表明, 二次活化处理大大增加了二次活化活性炭材料在孔径为2-3 nm的中孔分布, 从而证实对于有机电解液, 电极材料在2-3 nm的中孔对其电化学容量的提高具有重要意义.     

Partially graphitized ordered mesoporous carbons for high-rate supercapacitors

Partially graphitized ordered mesoporous carbons have been prepared with a soft template method using low-molecular-weight phenolic resol as a carbon source, triblock copolymer F127 as a template, and ferric citrate as a graphitization catalyst. N₂ sorption and transmission electron microscopy analysis show that the ordered mesoporous carbons have been partially graphitized when the carbonization temperature is above 700 °C. The graphitic ordered mesoporous carbons exhibit better rate performance than amorphous ordered mesoporous carbons. The specific capacitance of the graphitic ordered mesoporous carbons (GOMCs) prepared at 700 °C reaches to 112 F g^?1 at a scan rate of up to 1,000 mV s^?1. Its capacitance retention ratio is 64 %, which is much higher than that of the amorphous ordered mesoporous carbons prepared at 600 °C (33 %). High electronic conductivity and ordered mesoporous structure lead to the high electrochemical performance of the partially graphitized ordered mesoporous carbons.     

同步合成模板法制备热解炭及其电化学电容性能研究

研究制备新型炭材料是提高电化学电容器性能的有效途径。本文以二氧化硅干凝胶为模板,以合成间苯二酚-甲醛(RF)干凝胶为炭前驱体,采用同步合成模板法制得了比表面积达1100m²·g^-1,孔径分布集中,平均孔径为4.5nm的炭材料。循环伏安研究表明,与比表面积为1720m²·g^-1的活性炭相比,本研究制得的炭材料具有更优异的电化学电容性能,2mV·s^-1时比容量达195F·g^-1。     

Nitric acid oxidation of ordered mesoporous carbons for use in electrochemical supercapacitors

Ordered mesoporous carbon materials with high microporosity were synthesized by a low temperature autoclaving of citric acid-catalyzed polymerized resorcinol/formaldehyde in the presence of the triblock copolymer F127 and were activated by nitric acid oxidation. The materials were used as electrode materials in electrochemical supercapacitors. A bimodal pore size distribution of 2.1–2.3 and 5.3 nm with a surface area of 465–578 m² g^?1 and pore volume of 0.44–0.54 cm³ g^?1 was obtained with the retention of an ordered mesoporous structure after nitric acid (2 M) treatment. The introduced functional groups produced a pseudocapacitance, which resulted in an increase in the specific capacitance. The electrochemical capacitance of the resulting mesoporous carbons showed a marked increase after 3 h of nitric acid activation, exhibiting a high value of 295 F g^?1 at the scan rate of 10 mV s^?1 in 6 M KOH aqueous solution and good cycling stability with specific capacitance retention over 500 cycles.     

香菇生物质基氮掺杂微孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

采用简易浸泡法和一步碳化/活化法制备香菇生物质基氮掺杂微孔碳材料(NMCs),利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构形貌进行表征,并研究了其超级电容特性。测试结果表明,NMCs的微孔比表面积高达1 594 m~2·g~(-1),且拥有更高数量的含氮官能团,其吡啶型含氮官能团比例也有所提高,展现出优异的超级电容特性。在0.5 A·g~(-1)的电流密度下,其比容量高达325 F·g~(-1),当电流密度上升到20 A·g~(-1)时,其比电容仍然高达180 F·g~(-1),表现出优异的倍率性能;同时,在5 A·g~(-1)的电流密度下,电极经历5 000次充放电循环后具有97.7%的比容量保持率,展现出优异的循环稳定性。这主要归因于NMCs超高的微孔比表面积和丰富的含氮官能团。     

Outstanding room-temperature capacitance of biomass-derived microporous carbons in ionic liquid electrolyte

A remarkable capacitance of 180 F·g^− 1 (at 5 mV·s^− 1) in solvent-free room-temperature ionic liquid electrolyte, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, was achieved in symmetric supercapacitors using microporous carbons with a specific surface area of ca. 2000 m²·g^− 1 calculated from gas sorption by the 2D-NLDFT method. The efficient capacitive charge storage was ascribed to textural properties: unlike most activated carbons, high specific surface area was made accessible to the bulky ions of the ionic liquid electrolyte thanks to micropores (1–2 nm) enabled by fine-tuning chemical activation. From the industrial perspective, a high volumetric capacitance of ca. 80 F·cm^− 3 was reached in neat ionic liquid due to the absence of mesopores. The use of microporous carbons from biomass waste represents an important advantage for large-scale production of high energy density supercapacitors.     

壳聚糖基多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以胶态SiO₂纳米粒子为模板,壳聚糖为碳源,ZnCl₂为活化剂,制备了具有不同比表面积和孔体积的氮掺杂介孔碳。采用多种表征手段对碳材料的微观形貌、比表面积和孔道结构进行了表征,探究了壳聚糖与SiO₂纳米粒子的比例以及ZnCl₂活化剂对碳材料孔体积和比表面积的影响。结果表明,在未使用活化剂时碳材料(CSi-1.75)的孔体积高达4.53 cm³·g^-1,但其比表面积最小(729 m²·g^-1);使用ZnCl₂作为活化剂制备的碳材料(CSi-1.75-Zn)比表面积为1 032 m²·g^-1,但其孔体积下降到1.99 cm³·g^-1,且具有最多的吡啶氮和吡咯氮。在以6.0 mol·L^-1KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^-1时,CSi-1.75...     

超高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以蔗糖为碳源、尿素为氮源、草酸钾为活化剂,通过简单的研磨和高温碳化制备了具有超高比表面积(大于3 000 m²·g^-1)的氮掺杂多孔碳材料。采用多种手段对多孔碳材料的微观形貌、比表面积、孔结构和表面氮物种进行了表征,探究了不同温度下草酸钾和尿素对碳材料的比表面积、氮含量和超级电容性能的影响。结果表明,仅使用草酸钾作为活化剂制备的碳材料KC-800的比表面积为1 114 m²·g^-1,而同时使用草酸钾和尿素制备的样品KNC-800的比表面积高达3 033 m²·g^-1。在以6.0mol·L^-1KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^-1时,KNC-800的比电容为405 F·g^-1,而KC-800的比电容仅为248 F·g^-1。这表明草酸钾和尿素的加入显著提高了多孔碳材料的比表面积和超级电容性能。电容贡献分析表明,KNC-800的双电层电容值和赝电容值均高于KC-800。KNC-800在电流密度为0.5 A·g^-1时经过10 000次循环后仍能保持98.3%的初始比电容,表现出优异的循环性能。     

Activated nitrogen-doped carbons from polyvinyl chloride for high-performance electrochemical capacitors

Activated nitrogen-doped carbons (ANCs) were prepared by carbonization/activation approach using aminated polyvinyl chloride (PVC) as precursor. ANCs exhibit larger porosities and higher specific surface areas than those of their nitrogen-free counterparts for the same KOH/carbon ratio. The specific surface area of ANC-1 is up to 1,398 m² g^?1 even at a low KOH/carbon ratio of 1:1. Fourier transform infrared spectroscopy investigation of the nitrogen-enriched resin precursor indicates the efficient dehydrochlorination of PVC by ethylenediamine at a low temperature. The nitrogen content and the population of nitrogen functionalities strongly depend on the KOH/carbon ratios and decrease drastically after KOH activation as seen from the elemental and X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The surface concentration of N-6 and N-Q almost disappears and the dominant nitrogen groups become N-5 after KOH activation. The highest specific capacitance of ANCs is up to 345 F g^?1 at a current density of 50 mA g^?1 in 6 M KOH electrolyte. ANCs also exhibit a good capacitive behavior at a high scan rate of 200 mV s^?1 and an excellent cyclability with a capacitance retention ratio as high as ～93 % at a current density of 2,000 mA g^?1 for 5,000 cycles.     

壳聚糖基多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以胶态SiO₂纳米粒子为模板,壳聚糖为碳源,ZnCl2为活化剂,制备了具有不同比表面积和孔体积的氮掺杂介孔碳。采用多种表征手段对碳材料的微观形貌、比表面积和孔道结构进行了表征,探究了壳聚糖与SiO₂纳米粒子的比例以及ZnCl2活化剂对碳材料孔体积和比表面积的影响。结果表明,在未使用活化剂时碳材料(CSi-1.75)的孔体积高达4.53 cm³·g^-1,但其比表面积最小(729 m²·g^-1);使用ZnCl₂作为活化剂制备的碳材料(CSi-1.75-Zn)比表面积为1032 m²·g^-1,但其孔体积下降到1.99 cm³·g^-1,且具有最多的吡啶氮和吡咯氮。在以6.0 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,CSi-1.75-Zn的比电容为344 F·g^-1,而CSi-1.75的比电容仅为255 F·g^-1。这表明碳材料的比表面积对超级电容性能影响最大,而孔体积影响较小。电容贡献分析结果表明,相对于CSi-1.75,CSi-1.75-Zn的双电层电容和赝电容都得到了提高,这表明更大的比表面积和更多的吡啶氮和吡咯氮有利于提高碳材料的超级电容性能。     

Synthesis of Ordered Mesoporous Carbon Materials by Dry Etching

A novel synthesis method for ordered mesoporous carbons is presented. The inverse replication of a silica template was achieved using the carbonization of sucrose within mesoporous KIT‐6. Instead of liquid acid etching, as in classical nanocasting, a novel dry chlorine etching procedure for template removal is presented for the first time. The resultant ordered mesostructured carbon material outperforms carbons obtained by conventional hard templating with respect to high specific micro‐ and mesopore volumes (0.6 and 1.6 cm³ g^?1, respectively), due to the presence of a hierarchical pore system. A high specific surface area of 1671 m² g^?1 was achieved, rendering this synthesis route a highly convenient method to produce ordered mesoporous carbons.