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...     

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.     

活性炭基软包装超级电容器用有机电解液

使用了一种新型的有机电解液(三乙基甲基四氟硼酸铵/(丙烯碳酸酯+乙腈): MeEt₃NBF₄/(AN+PC))和两种传统有机电解液(四乙基四氟硼酸铵/丙烯碳酸酯(Et₄NBF₄/AN)和四乙基四氟硼酸/乙腈(Et₄NBF₄/PC)), 制作成活性炭(AC)基软包装超级电容器. 在不同电压窗口下对新型有机电解液的循环伏安和电化学阻抗谱进行了表征, 并在0-3 V的电压窗口下, 通过循环伏安、电化学阻抗谱、恒流充放电、漏电流、自放电、循环寿命和库仑效率, 对以上三种电解液进行了综合的比较. 结果表明, 新型有机电解液综合了AN和PC各自的优点, 性能优异.     

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.     

热解碳包覆的碳纳米管复合二氧化锰薄膜超级电容器

通过化学气相沉积(CVD)的方法,在碳纳米管(CNT)薄膜及其连接处沉积热解碳(PC)来限制CNTs之间的滑移。通过扫描电镜(SEM)观察发现,热解碳(PC)的沉积使得CNT表面更加平整,且表面的孔洞更加均匀。通过应力应变及亲疏水性测试发现,CNT/PC复合薄膜的拉伸强度增加了200%,水与薄膜的静态接触角由123°减小到78°。其后通过电化学沉积的方法,制备得到CNT/PC/MnO2薄膜电极材料,通过电化学测试得知,在1 mA/cm^2的电流下单电极的比电容为326 mF/cm^2,可以稳定循环10000圈,电容的保持率稳定在100%左右。     

蜂巢状多孔明胶制备高性能超级电容器用活性炭

近年来,以生物质为前驱体来制备碳材料因其资源丰富、廉价易得、无污染且可再生等优点而引起人们的广泛关注。本文将生物质明胶制备成呈蜂巢状的多孔结构,并以此为前驱体经碳化、活化制备活性炭。研究表明,与商品化明胶相比,由多孔明胶所制备的活性炭其比表面积(可高达3692 m~2?g1)及超级电容器性能均有明显提升。在6 mol?L~(-1) KOH水溶液中,由多孔明胶经600°C碳化、700°C KOH活化所制备的活性炭,在1 A?g~(-1)的放电容量为357 F?g~(-1),即使在100 A?g~(-1)的大电流密度下,其比电容仍可维持在227 F?g~(-1)。活性炭样品也表现出优异的循环稳定性,在10 A?g~(-1)下经7500圈循环稳定性测试后,其初始容量保持率高达93.0%。而且,以该活性炭组装的对称型超级电容器,在250、2500及25000 W?kg~(-1)的功率密度下,其能量密度分别为10.3、9.7和8.2 Wh?kg~(-1);在10 A?g~(-1)下经10000次循环后,容量保持率高达97.6%。这些研究结果表明由蜂巢状多孔明胶所制备的活性炭在高性能超级电容器中具有巨大的应用潜力。     

基于双金属高核钛氧簇基电极的高性能超级电容器的制备

制备了一系列专为超级电容器设计的新型钛氧簇(TOCs,包括Zn-Ti₁₁和Cd-Ti₁₁),扩大了TOCs材料的潜在应用范围。此类材料具有的优异赝电容性能充分展示了钛基材料的优点。所制备的TOCs基超级电容器的最大功率密度为9.5 W·kg^-1,能量密度为463 Wh·kg^-1。     

基于双金属高核钛氧簇基电极的高性能超级电容器的制备

制备了一系列专为超级电容器设计的新型钛氧簇(TOCs,包括Zn-Ti₁₁和Cd-Ti₁₁),扩大了TOCs材料的潜在应用范围。此类材料具有的优异赝电容性能充分展示了钛基材料的优点。所制备的TOCs基超级电容器的最大功率密度为9.5 W·kg^-1,能量密度为463 Wh·kg^-1。     

离子液体电解质种类对活性炭电极超级电容器电化学性能的影响

本文将经水蒸气二次活化的椰壳活性炭（W-AC）作为电极材料,选择1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐（[EMIM]BF₄）作为电解质,结果表明W-AC电极的比电容量远高于未活化的椰壳活性炭（R-AC）.使用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等方法研究了不同种类离子液体电解质对超级电容器电化学性能的影响.不同阴阳离子组成的离子液体作为电解质,直接影响超级电容器的电化学性能. 研究表明,由EMIM⁺和BMIM⁺阳离子与BF₄^-、TFSI^-阴离子构成的离子液体电解质较适用于W-AC电极. 其中在[EMIM]BF₄电解质中,单片电极的比电容量可高达153 F·g^-1;在1-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸盐（[BMIM]BF₄）电解质中电位窗可达3.5V,能量密度可高达57 Wh·kg^-1.本研究对于构筑高性能超级电容器离子液体的选择提供参考,以满足不同应用领域需求.     

炭化对沥青基活性炭纤维的结构和超级电容器性能影响

以450℃低温炭化的各向异性中间相沥青基炭纤维为原料,先通过KOH化学活化方法制备出活性炭纤维(ACFs),再对ACFs进行炭化改性,以提高ACFs的导电率,系统地研究了炭化温度对ACFs微观形貌、结晶度、孔结构和超级电容器性能的影响。结果显示:经过1 200℃炭化处理的ACFs(ACFs~(-1)200)电极具有优异的电化学性能,在0.1 A·g~(-1)电流密度下比容量高达204 F·g~(-1),1 000次循环后电容保持率达到97.0%;且电流增至20 A·g~(-1)时依然具有高比容量(149 F·g~(-1)),表明ACFs~(-1)200电极相比于未炭化的ACFs,其导电率、大电流密度下的比容量、循环保持率均显著提高。     

基于三维花状五氧化二铌及活性炭的锂离子混合电容器

锂离子混合电容器由于兼备锂离子电池和超级电容器的优势,即较高的能量密度和功率密度,而成为当前能量存储体系的研究热点。本工作合成了具有三维花状微纳结构的正交相五氧化二铌(T-Nb_2O_5),并将其与活性炭(AC)相匹配,设计出一种新型的T-Nb_2O_5/AC锂离子混合电容器。循环伏安和恒电流充放电的测试结果表明该锂离子混合电容器具有较好的电化学性能,如在碳酸酯类的有机电解液中,工作电压可达到3.0 V;在100 m A·g~(-1)的电流密度下,电容器的比能量和比功率密度可达到53.79 Wh·kg~(-1)和294 W·kg~(-1);在200 m A·g~(-1)的电流密度下,经过1000次充放电循环后,该电容器的比能量保持率为73%。由此可见,本工作开发的T-Nb_2O_5/AC锂离子混合电容器将在高功率的储能设备中有很好地应用前景。     

基于活化多孔碳负载聚苯胺正极和活化多孔碳负极的有机非对称超级电容器

采用KOH活化法制得高比表面积的活化多孔碳(aHPC),借助原位化学氧化法制得疏松多孔的活化多孔碳负载聚苯胺纳米复合材料(aHPC@PANI),并分别以aHPC及aHPC@PANI为负极与正极,以四乙基氟硼酸-乙腈为电解液,构建有机非对称超级电容器。电化学测试结果显示:在1A/g电流密度下,aHPC@PANI正极与aHPC负极分别呈现256.7F/g(-0.6~0.8V)及152.4F/g(-2~-0.6 V)的比容量;所组装的有机非对称电容器呈现宽电位窗口(2.8V),高的能量密度(在0.75kW/kg功率密度下为56.2 W·h/kg)及优异的循环稳定性(循环5 000次后其比电容保持率高达92.4%)。     

Ti4+离子掺杂对Li3V2(PO4)3晶体结构与性能的影响

采用溶胶凝胶/碳热还原法合成了锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3及其掺Ti化合物Li3-2x(V1-xTix)2-(PO4)3. 电化学测试结果表明, 经Ti4+离子掺杂后材料的充放电性能及循环性能明显提高. 与纯相Li3V2(PO4)3在3.58、3.67和4.08 V出现三个平台相比, 掺杂后材料的前两个平台发生简并且平台趋于模糊的倾斜状态. 这种趋势随掺杂量的增大而增强. 差热分析(DTA)表明掺杂生成了稳定的酌相产物. 采用X射线衍射和Rietveld方法表征了化合物的晶体结构, 结果表明, 三个不同位置Li的不完全占据导致晶体中产生阳离子空穴, 使材料在常温下的离子电导率提高了3个数量级. 锂离子混排提高了样品的电导率和充放电比容量.     

硫酸盐功能电解液增强水系钠离子电池NaTi2(PO4)3/C负极材料电化学性能的研究

水系钠离子电池具有钠资源丰富、成本低廉、安全可靠、维护简单等特点,在可再生能源规模储存领域具有重要应用前景。NASICON型NaTi₂(PO₄)₃具有可逆容量高、工作电位低、离子传输快等优点,是目前最受关注的水系钠离子电池负极材料。但是,该材料在传统的水系电解液中结构不稳定,循环性能不足。本论文通过调控Na₂SO₄浓度和引入MgSO₄添加剂,构建了一种新型硫酸盐功能电解液(2 mol·L^-1 Na₂SO₄ + 0.3 mol·L^-1 MgSO₄)。该电解液能够显著增强NaTi₂(PO₄)₃/C材料在充放电循环过程中的结构稳定性,从而提高其电化学可逆性和稳定性。电化学测试表明,NaTi₂(PO₄)₃/C基于该电解液在100 mA·g^-1条件下的可逆容量为93.4 mAh·g^-1,循环100次后容量保持率高达96.5%;基于该电解液构建的Na₂Ni[Fe(CN)₆]|NaTi₂(PO₄)₃/C电池可以稳定循环500次以上。本论文结合XRD、XPS等技术讨论分析了该电解液的功能作用机制,其研究结果为设计低成本高性能水系钠离子电池提供了新思路和实验基础。     

Nitrogen-doped Carbon Coated Na3V2(PO4)3 with Superior Sodium Storage Capability

Cathodes with high cycling stability and rate capability are required for ambient temperature sodium ion batteries in renewable energy storage application. Na₃V₂(PO₄)₃ is an attractive cathode material with excellent electrochemical stability and fast ion diffusion coefficient within the 3D NASICON structure. Nevertheless, the practical application of Na₃V₂(PO₄)₃ is seriously hindered by its intrinsically poor electronic conductivity. Herein, solvent evaporation method is presented to obtain the nitrogen-doped carbon coated Na₃V₂(PO₄)₃ cathode material, delivering enhanced electrochemical performances. N-Doped carbon layer coating serves as a highly conducting pathway, and creates numerous extrinsic defects and active sites, which can facilitate the storage and diffusion of Na⁺. Moreover, the N-doped carbon layer can provide a stable framework to accommodate the agglomeration of the electrode upon electrode cycling. N-Doped carbon coated Na₃V₂(PO₄)₃(NC-NVP) exhibits excellent long cycling life and superior rate performances than bare Na₃V₂(PO₄)₃ without carbon coating. NC-NVP delivers a stable capacity of 95.9 mA·h/g after 500 cycles at 1 C rate, which corresponds to high capacity retention(94.6%) with respect to the initial capacity(101.4 mA·h/g). Over 91.3% of the initial capacity is retained after 500 cycles at 5 C, and the capacity can reach 85 mA·h/g at 30 C rate.     

浸渍Ca_3(PO_4)_2溶液对SiC窑具材料晶相结构与性能影响

浸渍Ca3(PO4) 2 饱和溶液对SiC窑具材料晶相结构的转化和性能的优化是有利的。使SiC结构由低温稳定型向高温稳定型转化 ,随浸渍次数 (每次浸渍时间 1 0分钟 )的增加 ,α 型SiC含量增加 ,浸渍 4次的α 型SiC含量最高 (81 .1 % )。材料性能随浸渍次数增加而优化 ,浸渍 4次的显气孔率和吸水率最低 ,体积密度和热稳定性最高。     

可见光响应的CO3(PO4)2/Ag3PO4纳米复合光催化剂的制备及表征

采用简单的化学偏聚法合成出Ag3PO4纳米颗粒、磷酸钴(Co3(PO4)2,CoP)纳米片以及它们两者的纳米复合结构(CoP/Ag3PO4),同时还比较了它们的可见光催化活性.采用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱以及光致发光谱等手段对其形貌、结构、光学以及可见光催化性能等进行表征.结果表明,CoP/Ag3PO4复合纳米结构的可见光降解甲基橙(MO)的速率和循环稳定性均明显优于其它两种物质.这表明CoP应该起着共催化剂的作用,它能够抑制光生电子与空穴之间的复合,并且提供大量高活性的光生空穴.此外,我们还发现CoP/Ag3PO4降解另一种阳离子型染料——罗丹明B(RhB)的能力则远不如纯Ag3PO4,这可能是与光催化剂的表面性质发生改变有关,造成更低的RhB吸附能力.本文提供了一种廉价制备高效可见光催化剂的新方法.     

可见光响应的Co3(PO4)2/Ag3PO4纳米复合光催化剂的制备及表征

采用简单的化学偏聚法合成出Ag3PO4纳米颗粒、磷酸钴(Co3(PO4)2,CoP)纳米片以及它们两者的纳米复合结构(CoP/Ag3PO4),同时还比较了它们的可见光催化活性.采用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱以及光致发光谱等手段对其形貌、结构、光学以及可见光催化性能等进行表征.结果表明,CoP/Ag3PO4复合纳米结构的可见光降解甲基橙(MO)的速率和循环稳定性均明显优于其它两种物质.这表明CoP应该起着共催化剂的作用,它能够抑制光生电子与空穴之间的复合,并且提供大量高活性的光生空穴.此外,我们还发现CoP/Ag3PO4降解另一种阳离子型染料——罗丹明B(RhB)的能力则远不如纯Ag3PO4,这可能是与光催化剂的表面性质发生改变有关,造成更低的RhB吸附能力.本文提供了一种廉价制备高效可见光催化剂的新方法.     

LiTi2(PO4)3的Na/Li离子交换特征

锂离子传导材料LiTi₂(PO₄)₃能在LiCl水溶液中高选择性地与Na⁺进行离子交换. 研究了NaCl 溶液中LiTi₂(PO₄)₃上的Na/Li离子交换反应, 实验结果表明, 升高温度能显著提高LiTi₂(PO₄)₃上的Na/Li交换反应速率, 其离子交换动力学规律可近似由JMAK(Johnson-Mehl-Aurami-Kalmogorav)方程描述. 对LiTi₂(PO₄)₃在水和NaCl溶液中的溶解行为的研究结果表明, 升高温度能加快其在水中的溶解速率, pH值过大或过小及离子交换都会加剧LiTi₂(PO₄)₃的溶解.     

Temperature-Dependent Electrochemical Properties and Electrode Kinetics of Na3V2(PO4)2O2F Cathode for Sodium-Ion Batteries with High Energy Density

Phosphate cathode materials are practical for use in sodium-ion batteries (SIBs) owing to their high stability and long-term cycle life. In this work, the temperature-dependent properties of the phosphate cathode Na₃V₂(PO₄)₂O₂F (NVPOF) are studied in a wide temperature range from −25 to 55 °C. Upon cycling at general temperature (above 0 °C), the NVPOF cathode retains an excellent charge/discharge performance, and the rate capability is noteworthy, indicating that NVPOF is a competitive candidate as a temperature-adaptive cathode for SIBs. Upon decreasing the temperature below 0 °C, the cell performance deteriorates, which may be caused by the electrolyte and Na electrode, based on the study of ionic conductivity and electrode kinetics. This work proposes a new breakthrough point for the development of SIBs with high performance over a wide temperature range for advanced power systems.