电化学混合电容器用新型聚吡咯/介孔碳纳米复合电极

采用介孔碳CMK-3作为载体,通过化学原位聚合的方法制备出一种新型的聚吡咯/介孔碳(PPy-CMK-3)纳米复合材料.将该纳米复合材料作为正极,配以介孔碳CMK-3为负极和1.0mol·L-1NaNO3中性电解液,组装成为电化学混合电容器.电化学测试表明:在5.0mA·cm-2电流密度和1.4V充放电电位条件下,其放电比容量达57F·g-1,电容器功率密度为2.5×102W·kg-1,能量密度达17Wh·kg-1.当电流密度从5.0mA·cm-2增加至50mA·cm-2时,电容器的容量保持率在80%以上,显示高倍率充放电特性优异.此外,聚吡咯-介孔碳/介孔碳电化学混合电容器易活化,并具有优异的充放电效率和良好的循环稳定性能.     

ZIFs骨架型双壳层纳米笼状CoS/NiCo2S4的制备及其电化学性能

采用离子刻蚀和化学气相沉积法制备出具有沸石咪唑酯骨架(ZIFs)型双壳层纳米笼状的CoS/NiCo_2S_4并组装成超级电容器。该结构有较大的比表面积(98 m2·g-1),合适的孔道(孔径4 nm),且保留了ZIFs骨架构型。作为电极活性材料时,具有良好的结构稳定性和电化学活性,有利于增强所组装的超级电容器的循环稳定性和比容量。在三电极体系中,在1 A·g-1的电流密度下,容量为1 230 F·g-1;在3 A·g-1电流密度下循环9 000圈后,初始电容保持率为76.6%。在以该电极、活性炭电极与KOH/聚乙烯醇(PVA)凝胶态电解质组装的器件中,当功率密度为702 W·kg-1时,能量密度达31.6 Wh·kg-1;在7 056 W·kg-1的高功率密度下,仍保持16.5 Wh·kg-1的能量密度。     

纳米纤维素/还原氧化石墨烯复合材料用于高性能超级电容器

以高浓度氧化石墨烯(GO)溶液作为反应前驱体,纳米纤维素(NC)作为物理间隔物和电解液储存器,通过简单的一步水热法制备了纳米纤维素/还原氧化石墨烯(NC/rGO)复合材料,并探究了其作为超级电容器电极材料的潜力。结果如下：NC添加量为1 mL所制备的NC/rGO-1具有最佳电化学性能。基于NC/rGO-1的无黏合剂对称型超级电容器在0.3 A·g^-1的电流密度下显示出了269.33 F·g^-1和350.13 F·cm^-3的高质量和体积比电容,并在10.0 A·g^-1时仍能达到215.88 F·g^-1和280.62 F·cm^-3(其初始值的80.15%)。组装器件还显示出了较高的质量和体积能量密度(9.3 Wh·kg^-1和12.13 Wh·L^-1)和出色的循环性能(10 A·g^-1下10 000次循环后其初始比电容仅减少6.02%)。     

活性炭基Li2SO4水系电解液超级电容器

采用中性Li2SO4水溶液代替H2SO4和KOH作为电解液制备了活性炭(AC)基对称型超级电容器,使水系超级电容器的工作电压由1.0V提高到了1.6V.采用循环伏安和充放电测试研究了电容器的稳定电化学窗口.电化学充放电测试表明电容器在0.25A.g-1电流密度下单电极比容量可达129F.g-1,在功率密度为160W.kg-1时能量密度达到10Wh.kg-1(以正负极活性物质的总质量计).1.6V恒压充电1h后电容器漏电流为0.22mA.超级电容器的库仑效率接近100%,充放电循环5000次后容量仍可保持在92%以上.研究了电解液的浓度对电容器电化学性能的影响,发现随着Li2SO4浓度的增大电容器的电荷转移电阻显著减小,大电流充放电性能提高.活性炭基Li2SO4水系电解液超级电容器具有工作电压高、能量密度高和对环境友好等优点,因此有很好的产业化前景.     

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.     

可快速充放电聚吡咯/碳纳米管复合材料电化学聚合与表征

采用恒电流法制备了具有可快速充放电性能的对甲基苯磺酸根(TOS-)掺杂聚吡咯/功能化单壁碳纳米管(PPy-TOS/F-SWNTs)复合材料,扫描电镜(SEM)结果表明该复合材料呈纳米棒状构成的多孔结构,棒径约为70nm;比表面积(BET)测试分析表明该复合材料有着较高的比表面积(12.64m2.g-1)和大的介孔孔隙率(20-40nm).循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒电流充放电(GC)电化学分析表明该材料具有优异的快速充放电性能,在800mV的电位窗和2.5A.g-1(功率密度为2kW.kg-1)的电流密度下该材料具有211F.g-1的比容量(能量密度为18.7Wh.kg-1),而当充放电电流高达80A.g-1(功率密度为60kW.kg-1)时比容量仍可达141.8F.g-1(能量密度为12.6Wh.kg-1),同时该材料还表现出优异的稳定性,在10A.g-1大电流下经历10000圈循环后容量仍保持95.2%.     

超级电容器能量密度的提升策略

超级电容器最大的优点是具有优良的脉冲充放电性能和快速充放电性能,同时具有循环寿命长、工作温度范围宽、安全无污染等特性,但能量密度较低. 本文对超级电容器的工作原理、发展状况、缺陷所在和改进方法进行了简要介绍,以本课题组在高比能超级电容器方面的研究工作为主线,结合近几年的文献报道,重点阐述了超级电容器能量密度的提升策略. 主要围绕以下三个方面开展了工作：1）通过将电极材料尺寸纳米化来提高传统电极材料的比容量或开发其他高比容量的电极材料;2）发展具有高电压窗口的离子液体电解液,或利用不同材料在不同电位区间的电容特性构筑不对称电容器,从而提高超级电容器的电压窗口;3）将超级电容器和锂离子电池进行“内部交叉”构筑兼具高能量密度和高功率密度的锂离子混合电容器. 最后,对超级电容器的发展进行了展望.     

基于NiCo_2O_4纳米片电极的非对称混合电容器（英文）

在这项工作中,我们采用简单的水热方法在泡沫镍基底上生长了钴酸镍纳米片。结果表明,合成的NiCo_2O_4纳米片直接用作超级电容器电极,呈现出优异的电化学性能。在电流密度为1 m A·cm~(-2)时,其面积比电容达到1.26 C·cm~(-2);经过10000次充放电循环后,其比电容仍能保持初始容量的97.6%。以NiCo_2O_4纳米片为正极,活性炭为负极组装的超级电容器在功率密度为1.56和4.5 W·cm~(-3)时,其能量密度分别达到0.14和0.09 Wh·cm~(-3)。经过10000次循环后,器件仍能保持初始比电容的95%。以上结果证明合成的钴酸镍纳米片电极在未来的储能器件中具有良好的电化学应用前景。     

An Aqueous All-Metal Oxide Asymmetric Supercapacitor with High Gravimetric and Volumetric Energy Densities; [兼具高质 ?和高体积能 ?密度的水系 全金属氧化物 ?对称超级电容器]北大核心CSCD

Only with both high gravimetric and high volumetric energy densities, can supercapacitors find more extensive applications. In this paper, by making good use of the interesting nanostructures and the high packing densities of a2(nanoshpheres,1.69 g·cm-3) and Co-Ni oxide (nanoflakes, 2.14 g · cm-3), the RuO2//KOH//Co-Ni oxide all-metal oxide asymmetric supercapacitors with high performance were successfully fabricated, which led to the maximum specific capacitance of 217.5 F·g-1 (412.3 F·cm-3) and specific energy density of 61.8 Wh·kg-1(121 Wh·L-1)in a cell voltage between 0 and 1.5 V in KOH electrolyte. In addition, the constructed supercapacitor device could retain 87% of the initial specific capacitance even at 5000th cycle with the cell voltage of 1.4 V at a current density of 2 A·g-1in life cycle test, indicating high electrochemical stability. © Journal of Electrochemistry 2018.     

纳米片LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2正极材料的制备与研究

采用氢氧化物共沉淀-高温煅烧方法成功制备出具有较低阳离子混排的纳米片LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(LNCM)正极材料。这种纳米片有利于锂离子的扩散。所以纳米片LNCM正极材料表现出了比商业化LNCM材料更加优异的倍率性能:在3.0~4.6 V下,10 C首次放电容量可达85.5 mAh·g-1,能量密度可达310.2 Wh·kg-1。     

硫化镍/三维网络石墨烯复合材料制备及其在高性能超级电容器的应用研究（英文）

本文在泡沫镍上生长三维网络状结构的石墨烯(3DG),以此为模板合成石墨烯复合电极并将其应用于超级电容器.采用一步水热法在3DG上合成得到Ni_3S_2纳米棒结构(Ni_3S_2/3DG).通过TEM、XRD、SEM和拉曼光谱等手段表征对Ni_3S_2/3DG复合材料的形态与结构进行表征.电化学测试表明,Ni_3S_2/3DG复合材料具有高的比电容(在扫速为5 mV·s~(-1)下,具有1825.3 F·g~(-1)的比容量)和放电电容(在电流密度10mA下电容高达516.7 F·g~(-1)).此外,在电流密度20mA下具有良好的循环性能(循环1000周后仍能保留约100%的初始电容).本工作为得到高能量密度和良好的长期稳定性的复合材料提供了参考.     

表面官能团化增强碳纳米笼超级电容器性能

以具有多级孔结构、高比表面积、良好导电性等特征的碳纳米笼(CNCs)为前体,采用硝酸氧化法在CNCs表面引入含氧官能团。以CNCs为超级电容器电极材料,在相同电流密度下,官能团化样品的比电容显著高于纯CNCs;在1 A·g-1下比电容最高可达到255 F·g-1,比纯CNCs的188 F·g-1增加了34%,这表明表面含氧官能团化能够显著提高CNCs的超级电容器比电容。在100 A·g-1的大电流密度下,硝酸氧化后CNCs的比电容保持在111~167 F·g-1,表明具有良好的耐大电流充放电性能。在10 A·g-1的电流密度下循环10 000圈后,CNC-6M样品的比电容由196 F·g-1下降到176 F·g-1,样品的比电容仍保留90%,具有良好的循环稳定性。表面含氧官能团化CNCs所表现出的这种优异的超级电容器性能归因于CNCs的多尺度分级孔结构、高比表面积、良好的导电性、表面亲水性含氧官能团化带来的浸润性提高和引入的赝电容。     

碳纳米管/聚苯胺/铁氰化镍复合膜的电化学共聚制备与电容性能

采用循环伏安一步共聚法在碳纳米管修饰的铂基体上制备了电活性碳纳米管/聚苯胺/铁氰化镍(CNTs/PANI/NiHCF)复合膜.用傅立叶变换红外(FT-IR)光谱、X射线能谱仪(EDS)和扫描电镜(SEM)研究了复合膜组成及其表面形貌,并用循环伏安(CV)、恒电流充放电和电化学阻抗(EIS)等测试了复合膜的循环稳定性与电化学容量性能.研究表明:CNTs/PANI/NiHCF复合膜为三维多孔有序的网络状结构,PANI和NiHCF以纳米颗粒形式存在并沿CNTs均匀分布;在电流密度为2mA.cm-2时,CNTs/PANI/NiHCF复合膜的比容量高达262.28F.g-1,比能量为29.51Wh.kg-1,电流密度为10mA.cm-2时比功率可达10228.61W.kg-1;在2000次循环充放电过程中,复合膜的电容量仅衰减19.92%,电荷充放电效率一直保持在99%以上.CNTs/PANI/NiHCF有机-无机杂化膜具有良好的功率特性和快速充放电能力,是一种优异的超级电容器材料.     

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.     

聚苯胺/碳纳米纤维复合材料的制备及电容性能

采用原位聚合法制备了聚苯胺/碳纳米纤维(PANI/CNF)复合材料,用傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)和孔分布及比表面积测定仪研究了复合材料的表面官能团、组成、表面形貌及比表面积,并运用循环伏安(CV)法和计时电位法测试了PANI/CNF布作为电极材料的电化学性能.研究结果表明:PANI/CNF复合材料具有粗糙的毛刺结构,PANI沿碳纳米纤维均匀分布;PANI/CNF电极氧化还原反应的可逆性良好;在100mA·g-1电流密度下,当PANI含量为44.4%(w)时,复合材料比电容量高达587.1F·g-1,比能量为66.1Wh·kg-1,电流密度为800mA·g-1时比功率可达1014.2W·kg-1;在5A·g-1的电流密度下,1000次循环充放电后,复合材料的比电容量衰减28%.PANI/CNF复合材料具有良好的导电性和快速充放电能力,是一种优良的超级电容器电极材料.     

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.     

空心六边形镍钴硫化物/RGO复合物的合成及其超级电容性能

通过两步法制备了一种空心六边形镍钴硫化物(HHNCS)与还原氧化石墨烯(RGO)的纳米复合材料HHNCS/RGO。利用XRD,SEM,TEM和Raman光谱等对复合物进行表征,发现镍钴硫化物为空心六边形结构,并且均匀地附着在RGO的表面。该纳米复合物用作超级电容器电极表现出优异的电化学性能。在电流密度为1 A·g-1时比电容为927 F·g-1;当电流密度增大到20 A·g-1时,比电容仍高达724 F·g-1,表明材料拥有较好的倍率性能。此外,在电流密度5 A·g-1下循环2 000次后比电容保留有初始值的93%,显示出优异的循环稳定性。HHNCS/RGO优异的电容性能主要是由于RGO的存在不仅增强了材料的导电性,而且作为理想的载体分散HHNCS纳米片。HHNCS/RGO纳米复合物优异的电化学性能使其在超级电容器电极材料领域具有应用前景。     

片状纳米NiO的制备及其电化学电容性能

电化学电容器又名超级电容器,是近年来出现的一种新型储能器件,已起了人们的广泛关注[1-3].本工作采用改良沉淀法制备了Ni(OH)2粉末,并通过热处理得到纳米NiO材料,研究了其电化学电容性能.实验所制备的纳米NiO比容量值高达1081F/g.     

MnO2/煤基碳纳米纤维的制备及其在柔性超级电容器中的应用

采用静电纺丝技术制备了柔性煤基碳纳米纤维(CBCNFs)。利用低温等离子体技术对CBCNFs进行改性,并将改性后的CBCNFs作为还原剂与KMn O4反应,以实现Mn O2的原位还原负载制备CBCNFs/Mn O2复合材料。通过X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等手段对复合材料的结构与形貌进行了表征;另外,研究了其作为柔性超级电容器电极材料的性能。结果表明,KMn O4∶CBCNFs=2∶1(质量比)条件下制备的复合材料(CBCNFs/Mn O2-2)具有良好的电化学性能。在0.1A·g-1电流密度下,CBCNFs/Mn O2-2的比电容高达118F·g-1,为CBCNFs比电容(26F·g-1)的4.5倍,在1A·g-1电流密度下,循环1000次后比容量保持率为97%,表现出良好的循环稳定性。     

SnO_2/石墨纳米片复合电极及其在超级电容器中的应用

在电场的作用下对石墨棒进行电化学剥离,使其表面形成相互平行排列,且垂直于石墨棒基底的二维(2D)石墨纳米片阵列(GNSA).然后通过阴极还原电沉积法制备Sn O2/石墨纳米片阵列(Sn O2/GNSA)复合电极.采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外(FT-IR)光谱对其形貌和结构进行了表征.电化学测试表明该复合电极具有优异的超电容性能,在0.5 mol·L-1Li NO3电解质中,扫描速率为5 m V·s-1,电位窗口为1.4 V时,比电容达4015 F·m-2.由Sn O2/GNSA复合电极和相同电解质组装成的对称型超级电容器,在扫描速率为5 m V·s-1时,其电位窗口可增至1.8 V,能量密度达到0.41 Wh·m-2,循环5000圈后其比电容仍保持为初始比电容的81%.