超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器作为一种新型的电化学储能元件,以充放电效率高、循环寿命长等优点引起研究者的大量关注,而电极材料是决定超级电容器性能的一个关键性因素。常见的电极材料主要有:碳材料、金属化合物材料和导电聚合物材料三大类。当它们单独作为超级电容器电极材料时,碳材料展现高功率密度和优异的循环稳定性,但其比电容较低;而金属化合物和导电聚合物材料具有高比电容,但由于它们导电性差,致使其循环稳定性和倍率性能较差。因此,超级电容器电极材料的研究关注点是碳材料与其他材料组成复合材料,以制备出兼具高比电容、良好循环稳定性和倍率性能的超级电容器电极材料。     

新型碳微球制备和电化学性质研究

以氨水作为催化剂,间苯二酚和甲醛为前驱体制备单分散酚醛(resorcinolformaldehyde,RF)树脂微球和碳微球.采用循环伏安法、电化学交流阻抗和恒电流充放电等方法对由RF树脂得到的碳微球的电化学性能的测试表明,其可以作为超级电容器电极材料.在扫描速率为1mV·s-1时,比电容为175.9F·g-1,电阻为0.5Ω,循环500圈后仍保持94.4%的电容量,具有优异循环寿命.结果表明,由酚醛树脂制备的单分散碳微球作为超级电容器的电极材料具有降低离子运输阻力和提高超级电容器稳定性的功能.     

碳纳米管膜/MnO_2柔性电极材料的制备及其电容性能

为了制备性能优异的柔性超级电容器电极材料,以横向网络状分布的柔性碳纳米管薄膜为基底,通过与二氧化锰的复合,制备出碳纳米管膜/MnO_2柔性超级电容器电极材料.分别利用扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱、X线光电子能谱、恒电流充放电和循环稳定性等测试表征材料的形貌、结构和电容性能.结果表明:碳纳米管膜/MnO_2复合材料的比电容最高可达297 F/g,且碳纳米管膜/MnO_2柔性电极材料在比电容大于200 F/g时依然拥有优良的循环稳定性.     

用于高性能超级电容器的电纺碳纤维材料（英文）

金属有机骨架(MOFs)被认为是制备纳米多孔碳材料并用于超级电容器电极的理想前体,因为它们能够从分子尺度调节材料的结构.但是,一方面MOFs衍生的碳通常表现出较低的石墨化水平,另一方面纳米多孔碳颗粒之间具有较大的界面电阻,这些影响因素会导致电极的导电性差,进而极大地限制它们的电化学性能.本研究成功将ZIF-67嵌入聚丙烯腈(PAN)的纳米线纤维中,并在碳化处理后可以独立地用于超级电容器电极.PAN纳米纤维在热解过程中能够产生高石墨化水平的碳纤维,一方面用于连接ZIF衍生的碳纳米颗粒,另一方面有利于电荷转移;ZIF-67可以提供氮掺杂的多孔碳结构用于电荷存储.这种电极在1A·g~(-1)的电流密度下可以达到124F·g~(-1)的质量比容量,并在10A·g~(-1)的10 000次循环中电容保持率大于92%.     

弱结晶二氧化锰超级电容器充放电分析

以等物质的量的高锰酸钾和乙酸锰为原料,采用机械化学法制备出弱结晶型α-MnO2超级电容器电极材料.在1.2V电压内,200mA·g-1电流密度下对对称型超级电容器进行恒流充放电测试.采用XRD法、循环伏安及交流阻抗法对充放电前后电极材料的结构以及电化学性能进行表征,首次采用求斜率法对充放电曲线分析.结果表明:超级电容器表现出法拉第电容与双电层电容的双重特征;在循环过程中,电化学惰性物质Mn3O4生成,循环伏安图中氧化还原峰逐渐消失;充放电曲线的法拉第电容特征逐渐消失而接近双电层电容理想曲线;超级电容器的比容量、等效串联电阻发生了对应的变化,其最大电极比容量达到416F·g-1,经过近500次循环后,比容量为220F·g-1.     

氮掺杂多孔MOF衍生碳电极的构筑及其电化学性能

通过两步法成功将氮掺杂石墨烯量子点(N-doped graphene quantum dots,N-GQDs)与金属有机骨架衍生碳材料(cZIF-8)组合制备出N-GQDs@cZIF-8超级电容器.1 mol/L H_2SO_4电解质中,该电极在0.5 A·g~(-1)电流密度下具有246.6 F·g~(-1)的比容量,在循环8000次时仍然保持83.7%的容量保留率,展现了优异的循环稳定性.同时, NGQDs@cZIF-8超级电容器在104.5 W·kg~(-1)的功率密度下获得了8.2 W·h·kg~(-1)的优异能量存储能力,这样显著的电化学性能主要因其具有高比表面积的三维结构和高赝电容活性的氮掺杂水平(10.13%),使其在超级电容器、锂离子电池等能量存储领域具有潜在的应用前景.     

超级电容器电极材料的结构设计

超级电容器由于具有功率密度大和循环寿命长的优势受到了广泛的关注.电极材料是超级电容器的核心部分,是发展高性能超级电容器的关键要素.电极材料的组成、晶体结构、微纳结构形态等对其电化学性能具有重大影响.赝电容电极材料的性能与晶体内部的孔道结构密切相关,具有大孔道的电极材料其比容量明显高于只含有小孔道的电极材料.合理调控电极材料微纳结构形态如设计多孔结构、中空结构有利于增大电极的电化学活性表面,进而获得更多的电荷存储量,是提高储能性能的有效途径之一.将赝电容电极材料与导电基体复合生长可以提高材料整体的电导率,进而提高材料的比容量与倍率性能.通过对超级电容器电极材料结构的合理设计进而实现其储能性能的提高已经成为电化学储能领域的研究热点,对于推动超级电容器的发展具有重要意义.     

氮掺杂层次孔碳纳米材料的合成及其电化学储能

为了制备性能优良的电化学储能电极材料,利用分子自组装技术,将甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈聚合后的产物进行碳化和活化,得到具有大孔、介孔和微孔的氮杂层次孔碳纳米材料.分别采用扫描电镜、透射电镜、氮气吸附脱附、X线光电子能谱、恒流充放电、循环伏安及交流阻抗等测试方法和手段对材料的形貌、结构及电容性能进行表征.实验结果表明:所得氮杂孔碳纳米材料比表面积为698 m~2/g,孔容为0.42 cm~3/g.在电流密度为0.2 A/g时,该材料比电容量为241.9 F/g,且具有较好的循环稳定性,在2 A/g下循环5 000圈后,比电容值仍能保持在初始容量的93.6%.将其组装为对称超级电容器,能量密度和功率密度分别达到19.6 W·h/kg和200 W/kg,高于目前一些商业化的电容器数值,说明该氮杂层次孔碳纳米材料在超级电容器方面展示出很好的应用前景.     

氮磷共掺杂三维石墨烯的制备及其电化学性能的研究

有机元素共掺杂能有效改善碳材料的电容性能。通过氮、磷共掺杂合成三维石墨烯(N/P-G)电极材料。通过XRD、SEM、TEM、XPS等对样品微观结构和表面物性进行表征。结果表明,当掺杂氮含量为7.03%,磷含量为4.62%,所合成N/P-G的比表面积可达156.138 m2·g-1,其平均孔径为4.45 nm,同时具有三维多孔结构。电化学性能研究表明,在1 A·g-1电流密度下比电容高达145.4 F·g-1,在16 A·g-1电流下比电容仍可保持100.8 F·g-1。所制备的氮磷共掺杂石墨烯作为电极材料可以应用于超级电容器中,前良好。     

FeOOH/碳布柔性薄膜电极的制备及其超级电容器性能研究

运用简便易操作的水解法合成了一系列的FeOOH/碳布柔性电极,通过改变水解温度调节FeOOH的纳米结构,采用X-射线粉末衍射、扫描电镜、X-射线光电子能谱等技术对得到的柔性电极进行了表征,将所得材料用作超级电容器负极,研究了其电化学性能.在80℃水解条件下得到的FeOOH/碳布电极的放电比容量高达240F·g~(-1),循环2 000周后容量保持率高达78%.研究表明,FeOOH/碳布柔性薄膜电极的制备方法简单、原材料廉价易得、电化学性能良好,具有广泛的应用前景.