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.     

高性能碳基与过渡金属化合物基超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器因其在电动车和便携式设备上巨大的应用潜力而受到广泛关注. 电极材料是超级电容器的关键组成部分, 决定了超级电容器性能的好坏. 近来大量研究以碳材料和过渡金属化合物作为电极材料. 然而, 碳材料电容值极小与过渡金属化合物导电性和稳定性差, 极大地限制了它们在超级电容器中的应用. 本综述重点介绍了我们课题组近年来在设计、可控制备及优化碳材料与过渡金属氧/氮化物电容性能的相关研究工作, 并讨论了材料构效关系及其调控机理. 最后对碳材料和过渡金属化合物作为电极材料的日后研究进行了展望.     

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。     

自支撑电极材料的制备及其电解水性能实验设计

介绍了创新型新能源实验“自支撑电极材料的制备及其电解水性能实验设计”的开设,阐述了由科研成果到开设实验教学的基本设计思路,详细说明了自支撑非铂催化电极的制备方法、结构表征及其在全解水中的应用,并总结分析了该实验课程实践后的经验与反思。教学实践表明：学生对新能源实验表现出了高度的兴趣;实验的开展在培养学生独立调研、实验和写作能力的基础上,更增强了其创新思维和逆向思维的能力。     

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。     

超级电容器用细菌纤维素基电极材料

超级电容器由于能提供比电池更高的功率密度,比传统电容器更高的能量密度而备受关注。但目前其应用仍存在能量密度低的问题。碳材料、金属氧化物和导电聚合物是常见的三种超级电容器电极材料,而其中不同形式碳材料是电容器中研究和应用最广泛的电极材料。细菌纤维素是由细菌分泌产生的具有一定纳米级孔径分布的多孔生物材料,具有高强度和模量、高孔隙率、极好的尺寸和热稳定性的特性。以细菌纤维素为原料制备电极材料是近年来超级电容器领域的热点研究方向之一。本文以细菌纤维素基电极材料的种类、制备方法和性能为线索,综述了国内外细菌纤维素基超级电容器电极材料的研究进展,并归纳总结了电极材料最优的形态和制备方法,进一步对该类电极材料的发展趋势进行了展望。     

二维纳米片层孔洞化策略及组装材料在超级电容器中的应用

功率密度高、倍率性能优异和循环性能好等特性使得超级电容器在储能领域显示了巨大的应用前景。尽管二维层状材料剥离形成的纳米片层不仅可为电化学反应提供独特的纳米级反应空间,而且由其组装的层状纳米电极材料具有化学和结构上的氧化还原可逆性及纳米片层水平方向上离子或电子快速传输通道。但是,纳米片层组装电极材料在纳米片层垂直方向上离子或电子传输存在障碍,对于超级电容器功率密度和能量密度的提高及实现快速能量储存非常不利。因此,如何通过改善离子或电子的快速传输,实现超级电容器大功率密度下的高能量密度是超级电容器电极材料发展的方向之一。本文主要综述了二维层状材料剥离成纳米片层,纳米片层孔洞化策略及组装孔洞化材料在超级电容器电极材料中的应用。纳米层孔洞化技术是改善层状电极材料在纳米片层垂直方向离子或电子传输的有效手段,为实现高比电容下的高倍率性能超级电容器电极材料制备提供了方法学。最后,对开发大功率密度下的高能量密度超级电容器电极材料提出了展望。     

超级电容器石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长和维护成本低的特点,在电动车动力电池领域具有潜在的应用前景。超级电容器性能主要由其电极材料所决定。聚苯胺易合成、理论比容量高,而且导电性能优异,作为超级电容器电极材料有很高的应用价值。但是,在长期使用过程中,它的体积容易发生膨胀或收缩,循环寿命差。为了解决这个问题,将聚苯胺与石墨烯复合可以扬长避短,充分利用两者之间的协同效应,赋予复合材料优异电化学电容性能。本文综述了超级电容器用石墨烯-聚苯胺复合材料的制备方法,包括原位聚合法、油水界面合成法、电化学合成法、层层自组装法等;提出了三维网状石墨烯和对石墨烯-聚苯胺复合材料进行改性来提高复合材料的电化学电容性能的思路。     

超级电容器电极材料MnO_2纳米棒的制备及其电化学性能(英文)

以洋葱碳为还原剂,KMnO4为氧化剂,稀硫酸溶液为溶剂,采用水热法一步制备MnO2纳米棒.利用X射线衍射仪和透射电子显微镜分析了MnO2纳米棒的物相、结构、形貌;将MnO2纳米棒作为电极材料组装了超级电容器,采用电池测试系统测定了超级电容器的电化学性能.结果表明,所得到的产物为α-MnO2,其直径为5~10nm,长度为50~100nm;以MnO2纳米棒作为电极材料组装的超级电容器具有较高的比容量和稳定性,有望在超级电容器的研究和应用中得到推广.     

自支撑单原子膜电极在能源电催化中的应用

单原子催化剂的催化活性高, 稳定性强, 原子利用率高, 在能源电催化领域已被广泛研究. 然而, 粉末状(颗粒状)单原子催化材料存在工作电极制备过程复杂、 黏结剂添加降低导电性且占据催化材料的体积、 活性位点易被包埋等问题, 在作为电极材料催化能源转化过程时, 载量通常小于1 mg/cm², 反应电流密度不高于100 mA/cm². 与单原子催化剂相比, 自支撑单原子膜电极不仅具有单原子催化剂的诸多优势, 同时展现出整体式电极的特点, 例如无需添加黏结剂、 导电性好、 单原子活性位点暴露率高、 形貌与孔结构可调控等, 在大电流电催化反应、 高能量高功率密度电池等领域拥有应用前景. 本文综合评述了面向能源电催化应用的自支撑单原子膜电极的研究进展, 讨论了自支撑单原子膜电极的优势, 总结了自支撑单原子膜电极的合成方法, 包括自支撑基底上原位制备法、 静电纺丝法、 自组装法、 化学气相沉积与固相扩散法等, 介绍了其在析氢反应、 析氧反应、 电化学制过氧化氢反应、 锌空电池、 二氧化碳还原反应及锂硫电池中的应用, 并对该类电极的发展方向进行了展望.     

Metal–Organic Frameworks-Derived Self-Supported Carbon-Based Composites for Electrocatalytic Water Splitting

Electrocatalytic water splitting has been considered as a promising strategy for the sustainable evolution of hydrogen energy and storage of intermittent electric energy. Efficient catalysts for electrocatalytic water splitting are urgently demanded to decrease the overpotentials and promote the sluggish reaction kinetics. Carbon-based composites, including heteroatom-doped carbon materials, metals/alloys@carbon composites, metal compounds@carbon composites, and atomically dispersed metal sites@carbon composites have been widely used as the catalysts due to their fascinating properties. However, these electrocatalysts are almost powdery form, and should be cast on the current collector by using the polymeric binder, which would result in the unsatisfied electrocatalytic performance. In comparison, a self-supported electrode architecture is highly attractive. Recently, self-supported metal–organic frameworks (MOFs) constructed by coordination of metal centers and organic ligands have been considered as suitable templates/precursors to construct free-standing carbon-based composites grown on conductive substrate. MOFs-derived carbon-based composites have various merits, such as the well-aligned array architecture and evenly distributed active sites, and easy functionalization with other species, which make them suitable alternatives to non-noble metal-included electrocatalysts. In this review, we intend to show the research progresses by employment of MOFs as precursors to prepare self-supported carbon-based composites. Focusing on these MOFs-derived carbon-based nanomaterials, the latest advances in their controllable synthesis, composition regulation, electrocatalytic performances in hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), and overall water splitting (OWS) are presented. Finally, the challenges and perspectives are showed for the further developments of MOFs-derived self-supported carbon-based nanomaterials in electrocatalytic reactions.     

Superior rate capabilities of SnS nanosheet electrodes for Li ion batteries

We report on the self-supported, two-dimensional (2D) SnS nanosheets electrode directly grown on metallic current collectors via non-catalytic and template-free, vapor transport synthetic route. The self-supported SnS nanosheets electrode demonstrates good cycling performance and superior rate capabilities: a capacity of ～380 mAh g^?1 even at 20C rate (after charging for 3 min), larger than the theoretical capacity of the carbon-based electrodes currently used in commercial Li ion batteries. The origin of such an improvement in the long-term cycle stability and electronic/ionic transport kinetics, is understood by means of various microscopic investigation as well as unique characteristics of self-supported nanostructuring strategy itself.     

全钒液流电池碳电极材料的研究进展

近年来,全钒液流电池作为一种大规模储能装置,其电极材料得到了广泛的研究,并且获得了一定的进展.本文简述了全钒液流电池对电极材料的要求,综述了其电极材料的研究进展,重点介绍了碳电极及其改性方面的工作,并对其电极材料的发展趋势进行了展望.     

具有阴阳离子插入行为的电容去离子电极设计

具有离子嵌入/脱嵌能力的离子插层型电容去离子(CDI)电极材料是一类具有很高比容量的新型CDI电极,可以有效改善传统碳材料电极离子存储容量有限、电极易腐蚀的缺点.本文以金属氧化物、过渡金属/碳/氮/碳氮化物(MXenes)、钠超离子导体(NASICON)型磷酸盐材料等为分类,综述了近几年具有代表性的基于离子嵌入/脱嵌的...     

Recent Progress in Polyaniline and its Composites for Supercapacitors

Polyaniline (PANI) has piqued the interest of nanotechnology researchers due to its potential as an electrode material for supercapacitors. Despite its ease of synthesis and ability to be doped with a wide range of materials, PANI′s poor mechanical properties have limited its use in practical applications. To address this issue, researchers investigated using PANI composites with materials with highly specific surface areas, active sites, porous architectures, and high conductivity. The resulting composite materials have improved energy storage performance, making them promising electrode materials for supercapacitors. Here, we provide an overview of recent developments in PANI-based supercapacitors, focusing on using electrochemically active carbon and redox-active materials as composites. We discuss challenges and opportunities of synthesizing PANI-based composites for supercapacitor applications. Furthermore, we provide theoretical insights into the electrical properties of PANI composites and their potential as active electrode materials. The need for this review stems from the growing interest in PANI-based composites to improve supercapacitor performance. By examining recent progress in this field, we provide a comprehensive overview of the current state-of-the-art and potential of PANI-based composites for supercapacitor applications. This review adds value by highlighting challenges and opportunities associated with synthesizing and utilizing PANI-based composites, thereby guiding future research directions.     

Hybrid Hydrogels of Porous Graphene and Nickel Hydroxide as Advanced Supercapacitor Materials

Graphene‐based hydrogels can be used as supercapacitor electrodes because of their excellent conductivity, their large surface area and their high compatibility with electrolytes. Nevertheless, the large aspect ratio of graphene sheets limits the kinetics of processes occurring in the electrode of supercapacitors. In this study, we have introduced in‐plane and out‐of‐plane pores into a graphene–nickel hydroxide (Ni(OH)₂) hybrid hydrogel, which facilitates charge and ion transport in the electrode. Due to its optimised chemistry and architecture, the hybrid electrode demonstrates excellent electrochemical properties with a combination of high charge storage capacitance, fast rate capability and stable cycling performance. Remarkably, the Ni(OH)₂ in the hybrid contributes a capacitance as high as 3138.5 F g^?1, which is comparable to its theoretical capacitance, suggesting that such structure facilitates effectively charge‐transfer reactions in electrodes. This work provides a facile pathway for tailoring the porosity of graphene‐based materials for improved performances. Moreover, this work has also furthered our understanding in the effect of pore and hydrogel structures on the electrochemical properties of materials.     

有机电极材料过渡态的研究进展

有机电极材料具有理论比容量大、结构可设计性强、加工使用过程环境友好等优点被广泛应用于二次电池的研究中.有机电极材料在氧化还原过程会产生具有不成对电子的自由基中间体,自由基中间体的稳定程度影响电极材料的电化学性能.通过改变材料的结构可以调控自由基中间体的稳定性,从而优化有机电极材料的电化学性能.本文对有机电极材料在电化学...     

新型超级电容器的研发进展

传统超级电容器受低能量密度的限制,在当今器件研发中需更加关注电极材料结构-组成-性能研究。 本文总结了新型赝电容器的发展历程及其研发过程中存在的挑战与解决措施,着重从胶体离子超级电容器电极材料等新型的电极材料和氧化还原电解质两个方面进行综述。 原位合成的胶体离子超级电容器电极材料比非原位合成的电极材料具有更高的反应活性,并且以近似离子的状态存在,有效增加了电极材料的比容量。 氧化还原电解质的使用在不改变电极材料的前提下,进一步提高了超级电容器的能量密度。 初步介绍了新型锂离子电容器。 锂离子电容器同时使用电池型材料和电容型材料,可提高其能量密度。 依据当前超级电容器的研发现状,未来有望将电池材料和电容器材料结合使用,进而形成电池电容器或电容电池,使其同时具有高的能量密度和功率密度。