石墨基液流电池复合双极板

液流电池是一种安全性高、使用寿命长、可扩展的大规模储能系统,可以协助电网调峰储能,提高能源利用率,发展前景广阔。双极板是液流电池的重要组成部分。功能上起到了分隔、串联电池、传导电流、为电堆提供结构支撑等作用。从成本构成角度看,双极板的价格占电堆成本的比重也较大。开发高性能、低成本的双极板对加快液流电池的商业化应用具有重要意义,也是目前业界的迫切需求。虽然文献上报道了许多针对液流电池双极板开发的工作,但是目前高性能、低成本的液流电池双极板产品仍无法充分满足市场需求。本文着重介绍了石墨基复合双极板的研究现状,介绍了材料选择、工艺流程对关键性能的影响,对相关工作进行了评述,并为液流电池双极板的开发提出了建议。     

温度对碳球形貌及超级电容性能的影响

以三氯乙烷和二氯乙烷为原料, 金属钠为还原剂, 在溶剂热条件(100~150 ℃)下使氯代乙烷中的碳氯键和碳氢键发生断裂制备了碳纳米球, 并对制备的碳纳米球进行了表征. X射线衍射结果表明, 样品为类石墨结构, 衍射信号宽且弱, 表明样品的结晶性较差; 拉曼光谱分析结果也表明样品具有较高的无序度. 样品的SEM与TEM分析结果表明, 在较高的反应温度下, 碳球具有更好的单分散性, 碳球的粒径随温度的升高而增大; 选区电子衍射结果表明碳球内部为无定形的类石墨结构. 以碳纳米球为负极材料的锂离子电池测试结果表明, 50周循环后比容量为941 mA·h/g, 库仑效率接近100%, 放电容量保持率为103.7%, 具有良好的循环稳定性. 测试了不同温度下制备样品的超级电容器性能, 发现120 ℃下制备的碳纳米球具有较高的比电容和较低的内阻值, 比电容高达130 F/g, 经过1000周循环充放电后比电容衰减比例低于14%, 具有较高的稳定性.     

基于NiCo2O4纳米片电极的非对称混合电容器

The looming global energy crisis and ever-increasing energy demands have catalyzed the development of renewable energy storage systems. In this regard, supercapacitors (SCs) have attracted widespread attention because of their advantageous attributes such as high power density, excellent cycle stability, and environmental friendliness. However, SCs exhibit low energy density and it is important to optimize electrode materials to improve the overall performance of these devices. Among the various electrode materials available, spinel nickel cobaltate (NiCo₂O₄) is particularly interesting because of its excellent theoretical capacitance. Based on the understanding that the performances of the electrode materials strongly depend on their morphologies and structures, in this study, we successfully synthesized NiCo₂O₄ nanosheets on Ni foam via a simple hydrothermal route followed by calcination. The structures and morphologies of the as-synthesized products were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and the results showed that they were uniformly distributed on the Ni foam support. The surface chemical states of the elements in the samples were identified by X-ray photoelectron spectroscopy. The as-synthesized NiCo₂O₄ products were then tested as cathode materials for supercapacitors in a traditional three-electrode system. The electrochemical performances of the NiCo₂O₄ electrode materials were studied and the area capacitance was found to be 1.26 C·cm^-2 at a current density of 1 mA·cm^-2. Furthermore, outstanding cycling stability with 97.6% retention of the initial discharge capacitance after 10000 cycles and excellent rate performance (67.5% capacitance retention with the current density from 1 to 14 mA·cm^-2) were achieved. It was found that the Ni foam supporting the NiCo₂O₄ nanosheets increased the conductivity of the electrode materials. However, it is worth noting that the contribution of nickel foam to the areal capacitance of the electrode materials was almost zero during the charge and discharge processes. To further investigate the practical application of the as-synthesized NiCo₂O₄ nanosheets-based electrode, a device was assembled with the as-prepared samples as the positive electrode and active carbon (AC) as the negative electrode. The assembled supercapacitor showed energy densities of 0.14 and 0.09 Wh·cm^-3 at 1.56 and 4.5 W·cm^-3, respectively. Furthermore, it was able to maintain 95% of its initial specific capacitance after 10000 cycles. The excellent electrochemical performance of the NiCo₂O₄ nanosheets could be ascribed to their unique spatial structure composed of interconnected ultrathin nanosheets, which facilitated electron transportation and ion penetration, suggesting their potential applications as electrode materials for high performance supercapacitors. The present synthetic route can be extended to other ternary transition metal oxides/sulfides for future energy storage devices and systems.     

预嵌锂硬碳和软碳用于锂离子电容器负极的比较研究

锂离子电容器是一种应用前景广阔的电化学储能器件.目前,活性炭作为锂离子电容器正极被广泛使用.然而,锂离子电容器负极却有多种不同选择,如硬碳和软碳等碳材料.本文使用两种具有不同结构和电化学特性的硬碳和软碳材料作为锂离子电容器负极,进行了对比研究.研究表明,软碳相比于硬碳有更好的电子导电性和更高的可逆容量.通过在电流范围0.1～12 A·g~(-1)下进行充放电测试,分别研究了两种碳基电极在不同涂覆厚度下的倍率性能.结果显示,硬碳电极在大电流下有更好的倍率特性.然后,以活性炭为正极,预嵌锂的硬碳和软碳为负极,锂片为锂源和参比电极,分别组装了三电极软包锂离子电容器.根据三电极充放电测试,分别研究了不同预嵌锂量的硬碳和软碳所组装的锂离子电容器的电化学性能.结果表明,合适的负极预嵌锂容量可以提升锂电容的能量密度、功率密度和循环稳定性.最后,大容量硬碳和软碳基软包锂离子电容器被分别组装,软碳基锂电容实现了最高的能量密度21.2 Wh·kg~(-1)(基于整个器件质量),硬碳基锂电容实现最高的功率密度5.1 kW·kg~(-1).     

三维网络结构NiCo2S4@NiCo2O4复合电极的制备及其性能

超级电容器具有更大的功率密度、优秀的循环稳定性、极快的充放电速度、超长的循环寿命以及环境友好等突出特点,其性能与构件关系密切,其中最根本的就是组成它的电极材料。本研究主要采用传统的水热法制备出钴酸镍(NiCo₂O₄)电极材料,进而通过离子交换(二次水热)制得镍钴硫(NiCo₂S₄),最后利用化学浴沉积(CBD)法使其与钴酸镍复合,得到最终所需的三维网络结构NiCo₂S₄@NiCo₂O₄复合电极。经过表面形貌表征、循环伏安测试、恒电流充放电测试以及比电容计算分析等可以证明:三维网络结构NiCo₂S₄@NiCo₂O₄复合电极的比电容及循环稳定性等远远优于复合前单一的纯NiCo₂O₄电极材料,具有极大应用前景。     

平板电容器介质中的矢量场

介绍了平板电容器真空及各向同性电介质中的电场，进一步计算了各向异性平板电容器电场中的电场强度、电位移矢量、电极化强度。根据计算的结果对平板电容器介质中的矢量场进行了力线描绘，说明了电介质矢量场的性质。并进一步比较了线性各向异性电介质与指数电介质对电场产生的影响。     

Mo掺杂NiMnSe2的制备及其超级电容器性能

成分和结构是影响多元过渡金属硒化物电化学活性的关键因素。适当掺杂其他金属元素可以有效提高电极材料的电化学性能。通过简单的一步水热法,在泡沫镍上制备出了一种无黏结剂的Mo掺杂NiMnSe₂(记作Ni_0.8Mo_0.2MnSe₂)。Mo的少量掺杂为电极材料提供了丰富的反应活性位点,大大提高了NiMnSe₂的电化学性能。在1 A·g^-1时,Ni_0.8Mo_0.2MnSe₂的比容量达到1 404.0 F·g^-1。掺杂Mo显著降低了NiMnSe₂的电荷转移电阻和扩散电阻。组装的混合超级电容器Ni_0.8Mo_0.2MnSe₂//AC (活性炭)比容量达到81.6 F·g^-1,且倍率性能优异。在2 A·g^-1下连续充放电10 000周,容量保持率为95.8%,表现出超高的循环稳定性。混合超级电容器Ni_0.8Mo_0.2MnSe₂//AC在376.6 W·kg^-1的功率密度下,能量密度达25.5 Wh·kg^-1,高于NiMnSe₂//AC (17.3 Wh·kg^-1)。     

硼、氮共掺杂多孔碳的制备及其超电容性能

分别以含氮菲咯啉、四硼酸钾和醋酸锌为碳源、活化剂和模板,制备了B、N共掺杂多孔碳(BN-PC),并探究模板质量对BN-PC结构和储电性能的影响。当醋酸锌质量为5 g时,所得BN-PC₅中B、N杂原子含量分别为20.21%、18.29%。电化学测试结果表明,以6 mol·L^-1KOH为电解液,BN-PC₅电极展现出高的比电容(在0.05 A·g^-1电流密度下为255 F·g^-1)、优异的倍率性能(在20 A·g^-1电流密度下为188 F·g^-1)和卓越的循环稳定性(在5 A·g^-1的电流密度下循环10 000次比电容保持率为97%)。以3mol·L^-1ZnSO₄为电解液,在平均功率密度为56 W·kg^-1时,BN-PC₅电容器的能量密度可达27 Wh·kg^-1。     

氮氧共掺杂多孔炭的制备及其锌离子混合超级电容器性能研究

本研究以价格低廉、来源广泛的煤沥青作为炭前驱体、尿素作为氮源和模板、氢氧化钠作为活化剂,通过结合模板法与化学活化法成功制备了具有纳米片状结构的氮氧共掺杂的多孔炭材料。多孔炭电极在0.05 A/g时最大比容量高达255.5 m A·h/g,在电流密度为1 A/g时,放电比容量达到78 m A·h/g。经过12000次循环,容量保持率仍有72.4%,并且能量密度最高达到99.6 W·h/kg,展现出作为正极材料的巨大潜力。以煤沥青为原料制备的氮氧共掺杂多孔炭材料作为锌离子混合超级电容器的正极材料表现出了优异的电化学性能。     

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。