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...     

超级电容器用镍锰基二元金属氧化物电极材料

赝电容电容器相比于双电层电容器拥有更高的比容量(大约10~100倍),由于在充电/放电过程中法拉第反应同时在电极材料表面和内部发生。因此,会产生更多电子,拥有更大的比容量。目前,赝电容电极材料的研究主要集中在金属氧化物和导电聚合物。镍锰基金属氧化物具有较高的理论比容量、成本低、无毒、环境友好等优点,但是其实际的电化学性能远低于理论值。因此,为了提升材料的电化学表现,研究者提出许多有效的策略,例如:制备不同种类金属氧化物作为电极材料;采用不同的工艺制备高比表面积的材料以及不同材料之间的复合产生协同作用等。本文综述了镍锰基二元金属氧化物(NiMnO₃、NiMn₂O₄和Ni₆MnO₈)作为赝电容电极材料在超级电容器上的应用进展,同时结合目前研究方法进一步提出未来金属氧化物电极材料方面的发展方向,为继续深入研究提供一定的指导作用。     

基于双相不锈钢制备超级电容器电极材料MnO2

用恒电位沉积法在2304双相不锈钢基板上制备了纳米结构MnO₂薄膜. 用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线能量色散谱(EDS)表征了MnO₂薄膜的结构、表面形貌和成分. 用循环伏安(CV)、恒流充放电和电化学阻抗谱(EIS)对MnO₂电化学性能进行测试和分析. 结果表明, 沉积得到了由100-200 nm纳米棒组成的无定形MnO₂薄膜. 随着MnO₂质量的增加, 其绝对电容增加, 而比电容逐渐下降; 随着循环伏安扫描速率的增加, 其比电容也逐渐下降. 当MnO₂的质量为0.09 mg, 扫描速率为20 mV·s^-1时, 比电容达到最大值288.9 F·g^-1. 在100 mV·s^-1的扫描速率下进行500次CV循环, 其比电容维持在一个稳定值, 且随着循环次数的增加, 比电容略有提高.     

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。     

花球状BiOBr制备及其在超级电容器中应用

本工作采用溶剂热法制备了花球状BiOBr材料,利用XRD、XPS、SEM、TEM及低温N_2吸/脱附技术研究了材料的结构与形貌。在三电极体系中系统研究了制备材料的电容性质,结果表明:在2mol·L~(-1) KOH水溶液电解质中,在-1.2～0.2 V vs.SCE电压范围内,当电流密度为1 A/g时,质量比容量高达290 C/g,是一种极具潜力的储能材料。     

一种高容量的层状Co-MOF基超级电容器电极材料

通过简单的溶剂热反应合成了一种钴基层状MOF（[Co（4,4''-bpy）（tfbdc）（H₂O）₂],Co-BTH,4,4''-bpy=4,4''-联吡啶,H₂tfbdc=四氟对苯二甲酸）,并考察了其作为超级电容器电极材料的性能。研究结果表明：Co-BTH电极具有良好的赝电容性能,包含高比电容和较好的倍率性能。在1 A·g^-1电流密度下和1 mol·L^-1 KOH溶液中,其比电容最大可达2 316 F·g^-1。在2 A·g^-1的电流密度下,循环1 000次后,电极的比电容仍然还有847 F·g^-1。良好的赝电容性能与Co-BTH的层状结构和小尺寸的纳米片有关。     

水性聚苯胺纳米线超级电容器电极材料

使用"假高稀"方法,分别以过硫酸铵、硝酸铁和三氯化铁为氧化剂,含有1个乙氧基基团的酸性磷酸酯为质子酸,经过原位聚合制备了直径分别为78～90 nm、18～30 nm和16～25 nm水分散性聚苯胺纳米线.聚苯胺膜的电导率分别为18,32和35 S cm-1,比表面积为65,70和82 m2g-1.该聚苯胺纳米线能够很好地分散在水中,是一种环境友好型超级电容器电极材料.该电极材料在1 mol L-1四乙基氟硼酸/碳酸丙烯酯非水性电解液中,在-1～1 V扫描范围内,以0.4 A g-1的放电速率下,分别得到了110,140和152 F g-1的比容,比电容与材料的比表面积和电导率有关,随着比表面积以及电导率的增大而增大.聚苯胺纳米线电极材料有较高的充放电效率(大于98%),表明了它们有很好的电化学可逆性.     

石墨烯-聚苯胺杂化超级电容器电极材料

聚苯胺是一类具有超高比电容的导电高分子材料, 利用其与石墨烯的协同效应, 改善各自的固有缺点, 可以制得高性能的超级电容器. 本文综述了石墨烯-聚苯胺杂化电极材料的制备方法和石墨烯表面性质对电极材料电化学性能的影响, 讨论了优化杂化电极的结构与性能.     

超级电容器纳米氧化锰电极材料的合成与表征

以聚乙二醇为分散剂,利用高锰酸钾和醋酸锰溶液之间的化学共沉淀法制备纳米水合氧化锰.借助SEM,TEM,FT-IR,XRD和BET分析手段对样品结构及性能进行表征.研究结果表明,SEM和TEM显示所得粉体为纳米粉体,粒径大约为10～30nm左右,XRD分析表明该粉体为无定型a-MnO₂·nH₂O,FT-IR分析表明获得的粉体为水合物,BET测试比表面积达160.7m²/g.以氧化锰为研究电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,铂片为辅助电极的三电极体系中,以1 mol/L的Na₂SO₄溶液为电解液,通过循环伏安法研究其电化学行为.实验结果表明,纳米氧化锰是理想的超级电容器电极材料,在电位窗口为-0.2～0.9V(vs.SCE)范围内,扫描速度为4mV/s,其比电容达到203.4 F/g.     

基于碳材料的超级电容器电极材料的研究

超级电容器作为一种新型的能源存储装置,因为其比容量大、充放电速度快、循环寿命长等优点,在储能领域引起了极为广泛的关注。电极材料是决定超级电容器性能的核心因素,其中,常用的超级电容器电极材料主要有如下三类:碳基材料、金属氧化物及氢氧化物材料和导电聚合物材料。本文综述了超级电容器的工作原理并详细介绍了基于碳材料及其二元、三元复合体系的电极材料的研究进展。     

静电纺纳米纤维基超级电容器无粘合剂电极材料的研究进展

对高性能超级电容器不断增长的需求促进了无粘合剂电极材料的快速发展。静电纺纳米纤维由于具有良好的柔性、大比表面积、高孔隙率、容易制备等优点引起了研究者们的强烈关注。本文综述了静电纺纳米纤维基无粘合剂电极材料在超级电容器领域的研究进展,阐述了不同材料的设计制备过程和提升电化学性能的诸多方法,并指明了静电纺纳米纤维基超级电容器无粘合剂电极材料的发展机遇与挑战,为性能优异的无粘合剂超级电容器电极材料的进一步开发与应用拓宽了思路。     

聚合物水凝胶基超级电容器的研究进展

可伸展性和可压缩性是超级电容器作为现代柔性可穿戴电子设备的关键性能。聚合物水凝胶因其优异的力学性能、独特的网络状结构等优点,成为新一代高性能超级电容器的理想材料。它不仅可作为高效储能的柔性电极材料,而且可作为准固态电解质材料,在克服传统液体电解质系列缺陷的同时,获得更加轻薄、安全、稳定的柔性全固态储能器件。本文以聚合物水凝胶的化学组成为线索,分别介绍了聚合物水凝胶在超级电容器电极和电解质两方面的应用研究进展,并进一步对聚合物水凝胶在该领域的发展趋势进行了展望。     

Facile Self-templating Melting Route Preparation of Biomass-derived Hierarchical Porous Carbon for Advanced Supercapacitors

Biomass-derived porous carbons show great potential as electrode materials for supercapacitors due to the environmental friendliness. However, most of the carbonaceous electrode materials suffer from low specific capaci-tance and rate capacity because of the poor porosity. Here, we reported a simple and effective approach to prepare micro/nano-hierarchical structured carbon materials derived from rice husk by NaOH-KOH molten salt co-activation. The as-prepared activated carbons exhibit high porosity and suitable pore size distributions for more electrolyte ion adsorption, which are all beneficial for achieving remarkable electrochemical performances, such as high specific capacitance(194.6 F/g), excellent rate capability(retention of 85.9%) and outstanding cycling stability. Thus, the above biomass-derived carbon materials with high porosity and micro/nano structures obtained by co-activation method offered a new insight into novel electrode material for the use in energy storage systems with high energy density and excellent rate performance.     

壳聚糖制备多孔炭及其在电化学超级电容器中的应用(英文)

以壳聚糖为原料在 600、700、800和900℃直接炭化制备多孔炭 C-600,C-700, C-800 和C-900,其BET比表面积分别为278、461、515和625 m2·g-1.用恒流充放电和循环伏安法表征了其电化学性能. 结果表明, 由 C-800 制备电极的循环伏安图形更接近矩形, 在恒电流充放电实验中阴极和阳极过程基本对称, 说明该电极具有较好的电容性能.在 50 mA·g-1 的电流密度下,C-600、C-700、C-800和C-900的电容分别为96、120、154 和 28 F·g-1.由 C-800 制备电极的循环充放电稳定性好, 电流密度为1 A·g-1循环1000次后电容损失小于2%,说明壳聚糖制备多孔碳具有作为超级电容器电极材料的潜在价值. 同时还考察了不同浓度的电解液对C-800电化学性质的影响,发现在KOH浓度为 30%时的电容最大.依据实验结果,对多孔炭制备及其电化学性质间的关系进行了探讨.     

花生壳制备微孔炭及其在电化学超级电容器中的应用

以未使用和使用氢氧化钠溶液处理的花生壳为碳源分别制备出微孔炭PSC-1和PSC-2.PSC-1和PSC-2的比表面积分别为552和726m2·g-1,其主要孔径都约为0.8nm.用PSC-1和PSC-2制备的电极和对称型超级电容器的循环伏安曲线均接近矩形,表明其具有良好的电容特性.在以微孔炭电极为工作电极、铂电极为对电极和银/氯化银电极为参比电极组成的三电极体系测量表明,在0.1A·g-1的电流密度下,PSC-1和PSC-2的比电容达到233和378F·g-1.经过1000次恒电流充放电循环后,在三电极体系和超级电容器中电极均表现出良好的稳定性和电容保持率.基于实验结果探讨了微孔炭的形成机理及其结构与电化学性质之间的联系.     

块状碳/氧化镍复合物的合成及电容特征

应用离子交换法将N i2+离子引入酚醛凝胶并碳化,制备出块状的碳/氧化镍(C/N iO)复合物材料.原子吸收光谱(AAS)、X射线衍射(XRD)和循环伏安测试(CV)表明,样品中引入的N i含量可以达到5.9%(by m ass),其存在形式主要是N iO,伴有少量未被氧化的金属N i,比电容和电容性能以N i含量为4.4%的表现最佳.     

Sn掺杂二氧化锰超级电容器电极材料

用化学液相法制备了超级电容器用的Sn掺杂二氧化锰电极材料. 采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)光谱对电极材料的形貌和物相进行表征. 结果表明, 所得样品由直径约10 nm, 长约100 nm的棒状物粘结成200-500 nm的球状物, 晶型为δ-MnO2. 循环伏安、电化学交流阻抗和恒流充放电测试表明, 化学掺杂的比例对材料的电化学性能有较大的影响. 当Mn:Sn的摩尔比为50:1时, 电极材料的比电容达到293 F·g-1, 比未掺杂的提高了64.6%. 600次充放电循环后, 比电容稳定在275 F·g-1, 表现出良好的容量保持能力.     

柔性超级电容器电极材料与器件研究进展

超级电容器,也称电化学电容器,它具有比锂离子电池更高的功率密度和更长的循环寿命,与此同时,其能量密度也高于传统的电介质电容器,因此成为了一类具有很大应用前景的能量储存设备。随着人们对智能电子设备性能要求的提高,各类柔性可穿戴电子设备相继出现,柔性超级电容器作为一类便携式能量储存设备也受到了许多研究者的关注。在持续的研究中,二维平面结构的柔性超级电容器得到较大发展并日益成熟,与此同时,随着对柔性电子设备可穿戴性能要求的提高,一维纤维结构的柔性超级电容器应运而生,并且得到了初步发展。本文首先介绍了超级电容器的储能原理和重要性能的评估方法;接着,重点概述了二维平面结构和一维纤维结构两类柔性超级电容器器件结构和电极材料的研究进展;最后,总结了两类柔性超级电容器仍然存在并亟待解决的问题以及未来发展所面临的关键技术挑战,期望能为柔性超级电容器的研究提供参考和借鉴。     

Surface Modification and Performance of Activated Carbon Electrode Material

A commercial activated carbon was modified by surface treatment using three chemicals, nitric acid, hydrogen peroxide, and ammonia, respectively. The modified carbons were characterized by N₂ adsorption-desorption isotherms and FTIR spectroscopy. The resultant carbon electrode-based electric double-layer capacitors (EDLCs) were assembled with 6 mol·L⁻¹ KOH as the electrolyte. The influence of surface modification on the performance of EDLCs was studied by galvanostatic charge-discharge, cyclic voltammetry, and alternating current impedance. The surface modification resulted in no big decrease in specific surface area and little decrease in average pore size, and introduced functional groups, such as hydroxyl, carbonyl, and amidogen, on the carbon surface. These functional groups significantly improved the wettability and reduced the resistance of the activated carbon. As a result, the specific capacitance of the carbon modified with 65% HNO₃ reached 250 F·g⁻¹, 72.4% higher than that of original carbon. The leakage current of testing EDLCs decreased unexpectedly to 3-18 μA, only 0.8%-4.9% that of the original carbon electrode-based EDLC (371 μA).