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.     

惰性盐辅助合成介孔石墨化碳片及其电容性能

以惰性盐KCl为模板、硝酸镍为金属催化剂镍源、葡萄糖为碳源,通过碳化处理制备了介孔石墨化碳片。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射仪和比表面测试仪对介孔石墨化碳片进行了表征。探讨了碳片形成的机理,采用三电极测试体系研究了介孔石墨化碳片电极材料的电化学性能。结果表明,10 g KCl制备的碳片比表面积最大(989 m2·g-1),在6 mol·L-1KOH电解液中,当电流密度为0.5 A·g-1时,比电容达到180 F·g-1;当电流密度达到10 A·g-1时,比电容维持在148 F·g-1,显示了电极具有较好的倍率性能;在10 A·g-1条件下,2 000次循环充放电测试后电容没有发生衰减,展示了在超级电容器方面的应用潜力。     

石墨烯负载新型π-共轭聚合物纳米复合电极材料的合成及其超级电容特性

采用γ射线辐照还原技术获得易分散石墨烯(GNS),并以其为载体,以樟脑磺酸为掺杂剂和软模板,借助化学氧化聚合方法制备出分级孔结构的石墨烯负载聚(1, 5-二氨基蒽醌)(GNS@PDAA)纳米复合材料。运用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、拉曼光谱(Raman)、原子力显微镜(AFM)、能谱仪(EDS)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和电化学测试等手段研究了不同GNS/DAA质量比对GNS@PDAA复合材料的形貌、结构及超级电容特性的影响。研究表明,当DAA/GNS质量比为6/1时,借助π-π堆叠和网络限域作用, PDAA以20-40 nm纳米颗粒的形式牢固沉积于石墨烯表面,材料内部存在大量10-30 nm尺寸的介孔。该GNS@PDAA复合材料在0.5 A·g^-1时呈现最高的比电容(398.7 F·g^-1),优异的倍率特性(在50 A·g^-1下比电容保持率为71%)和非常好的循环性能(20000次循环后比电容损失仅为8.3%)。进而证实了GNS@PDAA复合材料所组装的超级电容器具有优异的串并联特性。     

新碳源制备活性炭和石墨烯及其非等电极电容水系超级电容器（英文）

碳材料具有不同的微米和纳米结构以及本体和表面的官能基团,因此成为最普遍采用的超级电容器电极材料。典型的例子是活性炭和石墨烯。最近的研究趋势是通过新方法,以传统和新碳源,例如生物质、聚合物、氧化石墨、碳氢以及二氧化碳气体,来制备成本低、电容性能高的活性炭和石墨烯。特别是,大多数新碳源衍生碳非常适用于水系电解液。电荷存储不仅发生在"碳|电解液"界面上(形成双电层),也依靠本体和表面的官能化带来的氧化还原活性,包括有限离域价电子转移反应。此外,进一步理解电荷存储机制有助于设计出比传统对称电容器具有更高电压和比能量的非等电极电容水系超级电容器。本文综述了新碳源衍生碳材料和器件的最新进展,为超级电容器技术的持续发展助力。     

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。     

基于离子液体的超级电容在3 V及65 oC老化条件下的铝碳界面效应

相比于传统乙腈电解液体系的超级电容器,离子液体基超级电容器具有工作窗口电压高,能量密度大,不可燃等优点,适用于碳中和时代清洁但不稳定电力领域的大规模储能。然而,目前的工作主要集中在对纽扣型离子液体-超级电容器的研究上,有关软包式离子液体-超级电容器的长循环寿命评测的报道较少。构建可靠的超级电容器用于长时间测试或在高温下开展加速老化测试,应考虑集流体/电极界面的良好接触,以最小化电荷转移电阻。本文以包覆不同碳层的泡沫铝为集流体,研究了超级电容器新系统中的碳-铝界面效应。通过环氧树脂薄膜碳化得到的均匀无定形碳层,相比通过PVDF粘附石墨烯碳层,赋予了铝相和碳相更强的相互作用。此外,为了充分挖掘大离子尺寸的离子液体电解液的潜力,本文采用介孔碳电极实现离子在介孔间的快速扩散。因此,本工作首次制备了由介孔碳电极、离子液体电解液和覆碳三维泡沫铝集流体组成的新结构软包式超级电容器。以自制的容量为37 F的不同软包式超级电容器件,通过3 V、65 ^oC、500 h加速老化试验,研究了其时间依赖性的电化学性能,包括CV测试、恒流充放电测试、电容值、接触电阻、电化学阻抗谱等。相比石墨烯包覆的泡沫铝基器件,无定形碳层包覆的泡沫铝基器件表现出更高的电容保持率。此外,我们还对ESR进行了等效电路拟合,并深入分析了接触电阻、电荷转移电阻、韦伯电阻,研究了C-Al界面对高能量密度超级电容器的高性能和稳定性的影响。500小时老化测试前后的极片表征证实了上述结果。高温、高压条件使粘附石墨烯碳层的泡沫铝界面结构不可靠。而泡沫铝表面原位包覆的碳层在老化过程中表现出较强的相互作用和稳定的结构。这些坚实的数据为面向高能量密度、高功率密度和长循环寿命,进一步优化高窗口电压超级电容器提供了充足的信息。     

Co-Al双金属硫化物/泡沫镍电极材料的制备及其超级电容性能研究

采用两步水热法直接将Co-Al双金属硫化物生长在泡沫镍上,成功制备了CoAl_2S_4/Ni电极材料。利用X射线衍射、扫描电镜和电化学测试等手段对其结构、形貌和超级电容性能进行了表征。结果表明,CoAl_2S_4/Ni电极材料呈现花瓣状的三维多孔结构,表面粗糙,这种结构有利于电解液和电极材料的充分接触,具有良好的导电性和比电容性能;当电流密度为1A/g时,电极的放电比容量高达2187.1F/g,循环100次后比电容的保持率为90.1%。相关研究可为超级电容器电极材料的制备及性能研究提供思路。     

高比能高功率全石墨烯锂离子电容器

石墨烯由于拥有超高比表面积和超高电导率而被作为电化学电容器材料广泛研究.本文采用树脂为碳源，通过一种方便快捷的树脂交换法制备一种具有高比表面积的多级孔三维石墨烯（3DG）.经过此种方法的催化、造孔、热处理等主要工艺步骤后，可显著增加石墨烯材料的小、介孔数量，从而提高材料的电化学性能.通过BET测试表明，3DG的比表面积可达2400 m²/g，孔体积达到2.0 cm³/g.以3DG作为正负极材料制备高比能量高功率型锂离子电容器（3DG-LIC），可使3DG-LIC的工作电压从传统超级电容器的2.5 V扩展到4.0 V，能量密度也从20 Wh/kg提高到105 Wh/kg.另外，相同的化学和微观结构能很好地平衡正负极的容量及速率，使高比能量高功率的3DG-LIC具有更宽阔的应用领域.     

基于混合溶剂有机电解液的超低温孔洞石墨烯超级电容

适用于极低温环境的石墨烯超级电容具有广阔的应用前景。然而,由于片层间严重的堆叠团聚,目前石墨烯超级电容的低温储能性能并不理想。本文使用H₂O₂氧化刻蚀法制备了孔洞石墨烯(rHGO),将传统有机溶剂碳酸丙烯酯(PC)和低凝固点溶剂甲酸甲酯(MF)混合制备了混合溶剂有机电解液,组装获得了能够在-60 ℃极低温环境下稳定工作的超级电容。结果表明,该超级电容在-60 ℃下的比电容为106.2 F·g^-1,相对于常温电容(150.5 F·g^-1)的性能保持率高达70.6%,显著优于未做处理的石墨烯(52.3%)以及文献中的其他石墨烯材料。得益于孔洞化形貌中丰富的介孔和大孔所形成的离子传输通道和缩短的离子传输路径,孔洞石墨烯内的离子扩散阻抗远小于普通石墨烯,且受温度降低的影响更小。在-60 ℃的极低温条件下,该超级电容表现出26.9 Wh·kg^-1的最大能量密度和18.7 kW·kg^-1的最大功率密度,优于传统碳材料的低温超级电容性能。-60 ℃时在5 A·g^-1电流密度下循环充放电10000次后电容保持率达89.1%,具有良好的低温循环稳定性。     

水热反应温度对三维还原氧化石墨烯的形貌、结构和超级电容性能的影响

以氧化石墨凝胶制备的氧化石墨烯溶胶为前驱体,在120-220°C条件下,采用水热法制备了系列不同还原程度的三维还原氧化石墨烯,采用扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD),傅里叶变换红外(FTIR)光谱,X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试等手段研究了水热反应温度对材料形貌、结构和超级电容性能的影响.结果表明:采用水热法制备的三维还原氧化石墨烯呈多孔网状结构,材料的体积和内部网状孔径随着水热反应温度的升高而减小;同时,氧化石墨烯的还原程度随反应温度的升高而增加,有序度提高,其结构逐渐向着类石墨结构转化;而材料的比电容和能量密度则随反应温度的升高呈现出先增大后减小的趋势,且均以双电层电容为主;相比之下,当水热反应温度为180°C时,制备的三维还原氧化石墨烯具有最佳的超级电容性能,在电解液为6mol·L-1的KOH溶液中,0.5A·g-1电流密度下其比电容达到315 F·g-1,10 A·g-1时仍能保持212 F·g-1的高比容量,能量密度为40.5Wh·kg-1,5000次循环后比电容保持率为86%,表现出了良好的电化学性能.     

激光直写微型RGO/MWCNT/CF平面柔性超级电容器的制备及性能

将采用改性Hummers法制备的氧化石墨烯与多壁碳纳米管(MWCNT)复合, 通过激光直写的方法制备了以棉织物(Cotton fabric, CF)为基底的石墨烯复合碳纳米管的同心圆形织物柔性平面超级电容器(RGO/MWCNT/CF). 通过扫描电子显微镜、 X 射线衍射和拉曼光谱技术对RGO/MWCNT/CF进行了表征, 并对超级电容器的电导率和电化学性能进行了测试. 结果表明, 电极材料经激光还原后导电率达到了7.19×10 ⁴ S/m, 表现出良好的导电性能. 以RGO/MWCNT/CF为工作电极、 PVA/LiCl凝胶为电解质组装的超级电容器具有良好的电化学性能, 在电位窗口为0~1 V、 电流密度为40.8 mA/cm ²时比电容达到24 mF/cm ², 功率密度为61 mW·h/kg, 能量密度为1.22 mW·h/kg, 且循环1000次仍能保持92%的比电容.     

介孔碳/石墨烯复合材料的制备及其醌类改性电容性能

首先利用硬模板法制备出介孔碳/石墨烯复合材料,然后向复合材料中引入具有赝电容活性的醌类分子进一步增大材料的电容性能。研究结果表明,负载30%(w/w)叔丁基氢醌的介孔碳/石墨烯复合材料具有最佳的电容性能,在电流密度为0.5 A·g~(-1)时,比电容值为355 F·g~(-1);当电流密度高达30 A·g~(-1)时,其比电容值高达226 F·g~(-1),比电容保持率为64%,表现出良好的速率特性。     

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。     

花瓣状Co-Al双金属硫化物/泡沫镍电极材料的制备及其超级电容性能的研究

采用低成本的两步水热法直接将Co-Al双金属硫化物生长在泡沫镍上,成功制备了CoAl₂S₄/Ni电极材料,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和电化学测试等手段对其结构、形貌和超级电容性能进行了表征。结果表明,CoAl₂S₄/Ni电极材料呈现花瓣状的三维多孔结构,且表面粗糙,这种结构有利于电解液和电极材料的充分接触,具有良好的导电性和比电容性能;当电流密度为1A/g时,电极的放电比容量高达2187.1 F/g, 循环100次后比电容的保持率为90.1%,相关研究为超级电容器电极材料的制备及性能研究提供思路。     

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.     

氧化石墨超声时间对三维还原氧化石墨烯结构及超级电容性能的影响

将氧化石墨凝胶超声不同时间制备氧化石墨烯(GO)溶胶,再以GO溶胶为前驱体采用一步水热法制备了三维还原氧化石墨烯(3DRGO),采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学测试等研究了不同超声时间对3DRGO的形貌、结构及超级电容性能的影响.结果表明,当超声时间不超过120 min时,经水热反应后还原氧化石墨烯均能形成稳定的三维结构,但随着超声时间的延长,三维结构尺寸不断减小,强度增加,样品的内部结构也由片状逐渐向多孔网状转化;当超声时间超过120 min时,还原氧化石墨烯虽具有网状结构,但在宏观上不利于形成稳定的三维结构.电化学测试结果表明,经不同超声时间所制备的还原氧化石墨烯均表现出较好的超级电容性能,其中超声时间为120 min时制备的3DRGO具有更均匀的多孔网状结构,表现出了最佳的超级电容性能,在1 A/g电流密度下其比电容可达328 F/g,即使在20 A/g的大电流密度条件下,其比电容仍可高达240 F/g.     

交联多孔结构Mn~(2+)掺杂聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及超级电容特性

采用简单的原位氧化聚合法成功制备了Mn2+掺杂聚苯胺/还原氧化石墨烯(Mn2+-PANI/r GO)复合物电极材料,利用傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、扫描电镜和电化学测试等手段对其结构、形貌和电化学电容性能进行了分析研究。结果表明,纳米棒状的锰离子掺杂态聚苯胺均匀分散在褶皱的石墨烯中,形成交联状的多孔结构。当电流密度为2A/g时,电极的放电比容量高达952 F/g,循环1000次后初始比电容的保持率为86.2%。过渡金属和石墨烯的加入提高了电极材料的电化学性能,高的比电容和优良的循环稳定性使Mn2+-PANI/r GO复合物在超级电容器中有很好的应用前景。     

可调有序介孔炭在有机和硫酸电解液中的电容性质

采用硬模板法, 掺杂硼酸制备了一系列有序介孔炭材料, 并研究了其在有机和硫酸电解液中的电容性质. 结构分析表明, 该类炭材料具有平行排列的有序介孔孔道, 随硼酸摩尔分数从0增大至50%, 炭材料孔径尺寸从3.3 nm增大至5.7 nm, 表面含氧量从2.0%增大至5.2%(摩尔分数). 电化学测试表明, 在有机电解液中, 炭材料的电容性能主要是双电层电容, 含氧官能团没有引入明显的赝电容. 在硫酸电解液中, 掺杂5%硼酸制备的有序介孔炭材料BOMC-5的质量比电容值最大, 为140.9 F·g^-1; 随含氧量增大, 炭材料单位面积比电容值增大, 掺杂50%硼酸制备的炭材料BOMC-50的单位面积比电容值达到0.17 F·m^-2, 说明含氧官能团在硫酸电解液中引入明显的赝电容. 炭材料的表面化学性质决定了材料表面与电解液的浸润性, 是影响炭材料比电容保持率的主要因素.     

Mn_3O_4/氧化石墨烯纳米复合物的制备及其超级电容性能

利用锰前驱体与氧化石墨烯(GO)原位反应制备了Mn3O4/GO纳米复合物超级电容器电极材料;采用扫描电镜、透射电镜及X射线衍射仪分析了纳米复合物的形貌和结构;并利用交流阻抗分析及充放电测试测定了纳米复合材料的电化学性质和电容性质.结果表明,引入氧化石墨烯可增强纳米复合物的导电性及稳定性,提高Mn3O4的电容特性,从而使得纳米复合物具有较高的比电容(350F/g)和较长的循环寿命(超过1 000次).     

应用多中心分区方法构建H3分子反应势能面

以氧化石墨凝胶制备的氧化石墨烯溶胶为前驱体, 在120-220 ℃条件下, 采用水热法制备了系列不同还原程度的三维还原氧化石墨烯, 采用扫描电镜(SEM), X射线衍射(XRD), 傅里叶变换红外(FTIR)光谱, X射线光电子能谱(XPS)和电化学测试等手段研究了水热反应温度对材料形貌、结构和超级电容性能的影响. 结果表明: 采用水热法制备的三维还原氧化石墨烯呈多孔网状结构, 材料的体积和内部网状孔径随着水热反应温度的升高而减小; 同时, 氧化石墨烯的还原程度随反应温度的升高而增加, 有序度提高, 其结构逐渐向着类石墨结构转化; 而材料的比电容和能量密度则随反应温度的升高呈现出先增大后减小的趋势, 且均以双电层电容为主;相比之下, 当水热反应温度为180 ℃时, 制备的三维还原氧化石墨烯具有最佳的超级电容性能, 在电解液为6mol·L^-1的KOH溶液中, 0.5 A·g^-1电流密度下其比电容达到315 F·g^-1, 10 A·g^-1时仍能保持212 F·g^-1的高比容量, 能量密度为40.5 Wh·kg^-1, 5000次循环后比电容保持率为86%, 表现出了良好的电化学性能.