石墨烯基电极材料在超级电容器中的应用

随着能源消耗的日渐增长,寻找低成本、环保、寿命长的储能设备迫在眉睫。在超级电容器领域,石墨烯电极材料以其高比电容、优异倍率性能、良好导电性等优势而受到广泛关注。对石墨烯材料的制备方法、电化学性能及相关机制做了总结,目的是研究不同结构的石墨烯材料对超级电容器性能的影响,并找到性能较为优异的石墨烯基材料。最后分析了石墨烯基电极材料发展中存在的问题,并对其研究前景进行了展望。     

石墨烯基超级电容器产业研究

<正>随着人类步入智能时代,一种安全、便携、无污染、高能量的储能装置已经成为人们日常生活的迫切需求。超级电容器作为一种储能装置,由于具有充放电迅速、安全性高、循环寿命长、成本低、环境友好等优点,受到人们长期而广泛的关注[1]。但是,尽管超级电容器的研究已有三十多年的历史,能量密度低的缺点一直以来是限制其大规模应用的主要因素。近年来,随着新材料的研究和使用,超级电     

中科院大连化物所研发石墨烯基柔性化超级电容器

正中科院大连化物所研究员吴忠帅带领二维材料与能源器件研究团队,在柔性化、微型化石墨烯基超级电容器研究方面取得新进展,成功获得了二维噻吩纳米片与石墨烯叠层结构复合薄膜,并应用于高性能、柔性化、微型化超级电容器。相关成果近日发表于《先进材料》。研究团队将甲烷等离子体还原技术和光刻微加工技术相结合,制备出石墨烯基高功率平面微型超级电容器。该     

石墨烯三维多孔凝胶在超级电容器中的应用研究

通过液相法制备了石墨烯和纳米碳酸钙复合材料,经过高温煅烧及酸洗得到石墨烯三维凝胶结构。通过扫描电镜图片发现所得到的石墨烯凝胶具有均匀、丰富的孔道结构,比表面积测试表明其比表面积高达513 m~2/g,经过恒流充放电测试发现这种三维多孔石墨烯凝胶具有较好的电容性能。     

MOFs及MOFs复合材料在超级电容器中的应用

超级电容器(SCs)作为一种新型的储能装置,与传统的可充电电池相比,具有更快的充放电速率、更高的功率密度和更长的循环寿命,受到人们的广泛关注.拥有较大的比表面积、多样的组成结构和高度分散的金属活动中心等优势的金属有机骨架材料(MOFs),逐渐成为高性能电化学储能材料的研究热点.然而,MOFs直接作为SCs电极材料的使用仍面临着导电性差和机械、化学稳定性差的问题.在此,主要阐述MOFs及其复合物在超级电容器材料应用领域的研究进展,讨论MOFs基超级电容器的结构特征及其在电化学储能领域中展现出独特的性质和新颖的功能,说明MOFs构筑的超级电容器在新能源储存与转换领域发挥重要作用.最后,对MOFs基超级电容器实际应用进行分析与展望.     

淀粉基活性炭的制备及在超级电容器中的应用

以淀粉为原料,分别采用H₃PO₄活化法和物理-化学复合活化法制备活性炭,并将制备的活性炭组装成超级电容器。研究了制备工艺对活性炭孔结构及电容特性的影响;通过氮气吸附和SEM方法表征了淀粉基活性炭的孔结构和表面形貌,通过循环伏安曲线、恒流充放电、交流阻抗实验考察了其电化学性能。结果表明,比表面积与比电容并没有线性关系;物理-化学复合活化法在温度为850 ℃、活化时间为2h条件下,制备的淀粉基活性炭比表面积为1438 m²/g,比电容为150 F/g。     

镍基电极材料在超级电容器中的制备与应用

Ni因其价格低廉和对环境友好,被视为具有发展潜力的超级电容器电极材料之一;且它与其他电极材料复合可以有效阻止团聚反应的发生,能大大改善材料的电化学性能。近年来Ni的（氢）氧化物与碳材料、聚合物等复合制备新的电极材料已经成为储能领域研究的热点。介绍了Ni的化合物作为电极材料储能的机制以及在复合电极材料中的应用,综述了近年来国内外报道的各类镍基复合电极材料的研究进展,并对其今后的发展趋势进行了展望。     

RLS算法在碳基超级电容器参数辨识中的应用

为改善传统碳基超级电容器模型不能同时兼顾简易性和精确性的缺点,提出一种解决碳基超级电容器模型参数辨识问题的新方法.构建一种能充分描述超级电容工作特性的参数辨识电路模型,采用带遗忘因子的最小二乘法(RLS)对电路参数进行辨识,并通过恒流充电实验方法及仿真研究对充电过程的电压和电流进行测量和比较.研究结果表明:该电路模型能克服传统最小二乘法易出现数据饱和的缺点,得到更为精确的模型辨识参数.     

芦苇絮基活性炭的制备及其在超级电容器中的应用

以枯黄的芦苇絮为原材料,采用高温炭化、KOH活化方法,制备芦苇絮基活性炭材料.SEM、FTIR和氮气吸脱附测试结果表明,所得芦苇絮基活性炭为中空的管状结构,表面富有氮、氧官能团,且具有微孔、介孔和大孔的多级孔道结构,比表面积达492 m 2 ·g ^-1 .该材料作为超级电容器电极材料,在0.5 A·g ^-1 的电流密度下,比电容高达459 F·g ^-1 ,当电流密度升高到10 A·g ^-1 时,比电容仍为280 F·g ^-1 ,表现出良好的电容特性.     

棉秆基活性碳材料在柔性微型超级电容器中的应用

生物质碳材料具有高比表面积、轻质、可再生、价格低廉等优势,是一种很有前景的超级电容器的电极材料,随着电子器件的微型化,对储能器件的柔性也提出了一定的要求。为了满足人们对柔性电子器件日益增长的需求,解决储能器件小型化、柔性化等问题,本文利用氢氧化钾活化法,经过高温刻蚀棉花秸秆制备出具有多孔结构的碳材料,并将该材料制备成电极组装成微型超级电容器(MSCs),测试其电学性能。结果表明:当电流密度为0. 33 mA/cm时,比容量为32 mF/cm;弯曲直径在20 mm时,弯折2000次后仍有85%的电容保有量。本文以棉花秸秆为原材料制备MSCs的方法简单,且器件具有优异的电化学和机械性能,在未来柔性、小型电子器件领域具有广泛的应用前景。     

聚苯胺纳米纤维@还原氧化石墨烯纳米卷复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

针对聚苯胺作为赝电容超级电容器电极材料时存在循环稳定性差的问题,设计利用还原氧化石墨烯纳米卷包裹聚苯胺纳米纤维.采用高沸点有机溶剂辅助冷冻干燥法制备了聚苯胺纳米纤维@还原氧化石墨烯纳米卷复合材料,利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱分析仪、傅里叶变换红外光谱以及X-射线衍射等对该复合材料的形貌、组成和结构进行表征,并采用循环伏安、恒流充放电、电化学阻抗等方法对其电容性能进行研究.结果表明,利用高沸点有机溶剂辅助冷冻干燥法能够成功将聚苯胺纳米纤维包裹进氧化石墨烯纳米卷中,最终将氧化石墨烯还原后得到聚苯胺纳米纤维@还原氧化石墨烯纳米卷复合材料;该复合材料经过5 000次循环充放电后电容量保持率达到75%;当复合材料中的聚苯胺纳米纤维质量分数为67%时,该复合材料在2.2A/g的电流密度下,质量比电容达到639F/g,表现出优异的电容性能.     

碳基超级电容器研究进展

作为一种绿色环保的新型储能装置,超级电容器近年来发展迅速,电极材料是决定超级电容器性能与制造成本的最主要因素。碳材料因种类多样、价格廉价并具有较高的比表面积、较高的导电率和非常好的化学稳定性而被作为一种重要的电极材料广泛应用于储能元件中,主要包括活性碳、碳微球、碳纳米管、石墨烯等。碳基超级电容器是以碳材料作为主要电极材料的一类电容器。本文详细介绍了不同碳基电极材料的研究发展状况,以及碳基超级电容器的研究与应用进展。     

生物质炭/聚苯胺复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

以栗子壳为碳源,先在800℃炭化制备具有多级结构的新型生物质炭材料(CAC8),然后与苯胺单体通过原位聚合得到生物质炭/聚苯胺(CAC8/PANI)复合材料.用XRD,BET,TG和SEM等对样品进行了表征.结果表明,CAC8具有大的比表面积(1 568.0 m2·g-1)和孔体积(0.94cm3·g-1).在1 mol·L-1 H2SO4电解质溶液中,CAC8比电容为207F·g-1,而CAC8/PANI复合材料比电容高达597F·g-1,并且经过1000次充放电循环后,比电容保留率为80%.     

PANI-CNTs复合材料的制备及其在对称型全固态超级电容器中的应用

超级电容器寿命长、安全性高,并可以实现快速充放电,是化学电源研究的热点之一。文章通过简单的化学原位聚合法将聚苯胺(polyaniline,PANI)与碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)进行复合,得到聚苯胺纳米管(PANI-CNTs)复合材料。利用场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope, FESEM)对其形貌和结构进行表征。循环伏安(cyclic voltammetry,CV)曲线、恒电流充放电(galvanostatic charge-discharge, GCD)曲线和循环寿命测试结果表明,纳米复合电极材料在三电极体系中,电流密度为1 A/g时,比电容高达690 F/g,3 000次循环后仍保持初始电容80%,在组装成柔性器件后,保留了优异的电化学性能,并展现出卓越的柔性机械性能。     

Fe基金属氧化物/氢氧化物在超级电容器负极材料中的应用研究进展

纳米结构铁基金属氧化物/氢氧化物(如Fe_2O_3,Fe_3O_4及FeOOH等),因具有较高的理论比电容和较宽的负向电位窗口,被认为是一种潜在的理想超级电容器负极材料,但Fe基电极大多数具有较差的导电性及不稳定的电化学性能,使其实际应用受到阻碍.为此,科研人员为提高其导电性及电化学稳定性做了大量的工作.该文概述提高Fe基纳米结构负极材料导电性和电化学稳定性的有效方法,介绍Fe基纳米结构负极材料在纳米结构设计和合成方面的最新研究进展,展望其未来的应用前景.     

氢氧化镍基材料在超级电容器中的应用

由于Ni(OH)2具有成本低、来源丰富、对环境友好及比电容大等优点,常被用作超级电容器的赝电容电极材料.介绍了N i(O H)2电极材料的一些制备方法,探讨了这些制备方法的优缺点.同时,还对Ni(OH)2及其复合材料(包括Ni(OH)2与其他金属氢氧化物/氧化物、碳材料及导电聚合物等)在赝电容器中的应用进行了综述,并分...     

MOFs衍生多孔碳/MnO_2复合材料及其在超级电容器中的应用

利用高比表面积、大孔隙率金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)作为牺牲模板,制备了MOFs(ZIF-8)衍生多孔碳材料(PCs),以其作为导电基底,在表面生长金属氧化物MnO_2,获得MnO_2/PCs复合材料并将其应用在超级电容器中.制备的复合材料具有良好的电化学电容性能,在三电极体系中,1 A·g~(-1)的电流密度下比电容可达199 F·g~(-1),经过2 000次充放电循环后,比电容仍能保持初始值的80%.使用MnO_2/PCs复合材料作为正极,PCs作为负极,组成的非对称型电容器MnO_2/PCs//PCs具有优异的电化学储能性能,在950 W·kg~(-1)的功率密度下,能量密度高达10.16 Wh·kg~(-1);而且当功率密度上升为9 500 W·kg~(-1)时,能量密度仍可以保持4.48 Wh·kg~(-1).     

制备超级电容器氧化石墨烯的MPCVD方法

以氢气、甲酸甲酯为原料,泡沫镍为基底,通过微波等离子体增强化学气相沉积(MPCVD)法,在450℃反应合成氧化石墨烯,将其作为超级电容器活性物质,在三电极体系下研究其电化学性能.使用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪(XPS)和电化学测试等手段,对样品的形貌、结构以及电化学性能进行表征.结果显示:MPCVD法可以合成氧化石墨烯,合成过程不会产生有毒气体,并且合成时间短,生长的氧化石墨烯的形貌结构与传统化学氧化法合成的氧化石墨烯相似.电化学测试表明:氧化石墨烯的比电容在1 A/g具有197 F/g,将电流密度提高到100 A/g,比电容仍有134 F/g,在5 A/g下循环充放电2 000圈,容量保持率为94%.     

构筑高性能的二氧化锰/石墨烯超级电容器

三维泡沫镍(Ni)基石墨烯(graphene)结构具有理想的自支撑特性,但却受制于有限的容量。以三维Ni基graphene为催化基底,通过一步水热法,在三维Ni基graphene骨架上形成二氧化锰/石墨烯/泡沫镍(MnO₂/graphene/Ni)的异质结电极。MnO₂的形貌随着水热反应温度的增加而呈现出纳米花状、纳米花与纳米棒的混合结构以及纳米棒状。通过循环伏安、恒电流充放电等研究方法,发现具有纳米花状与纳米棒状混合结构的MnO₂/graphene/Ni异质结电极,在电流密度为0.1 A·g^-1时达到最大比电容193 F·g^-1,并且在电流密度为1 A·g^-1时,经过1 000次恒电流充放电后,依然保持104%的初始容量,是一种潜在的电化学性能稳定的超级电容器电极材料。     

高性能Ni-Cu-S电极材料在超级电容器中的应用

使用电导率高的硫化铜作为添加成分,与理论比容量高的硫化镍结合,通过一步氢气泡模板电沉积法在铜箔基底上制备了一种具有三维花状多孔结构的Ni-Cu-S电极材料。该结构提高了材料的比表面积,增加了材料的活性反应位点,从而加快了电荷传输,提高了电极材料的电化学性能。在三电极体系中,Ni-Cu-S电极材料的比电容可达1.57 C/cm²,倍率性能为80.2%。使用Ni-Cu-S电极材料(正极)和活性炭(AC)(负极)制备了不对称超级电容器,在双电极体系中对其进行性能测试,其比电容为0.91 C/cm²,在5.32 mW/cm²的功率密度下具有0.89 mWh/cm²的高能量密度。经过7 000次充放电循环后,电容仍保持初始值的89.7%,显示出了良好的循环稳定性。结果表明Ni-Cu-S是一种高性能超级电容器电极材料。