用于超级电容器的高性能石墨烯/CoMoO4复合电极

高性能超级电容器电极材料的开发对于缓解当前的能源危机势在必行,设计和优化混合过渡金属氧化物并研究电化学性能和循环寿命对于超级电容器的实际应用至关重要。在已开发的混合过渡金属氧化物中,由于电活性材料的导电率差并且与电解质的接触受限制,大大限制了所制备电极的电化学性能。我们在本文中提出了一种合成石墨烯/CoMoO_4纳米片的有利设计,使活性材料均匀生长在三维石墨烯泡沫的网状骨架上,充分提高了活性材料的利用率,其独特的结构也增加了电活性材料与电解质界面之间的接触,使赝电容反应充分发生。由于石墨烯的高电子传输速率和CoMoO_4纳米片的高活性,三维复合电极具有出色的电化学性能,具有相对较高的面积比电容(在1 mA cm~(-2)下为2 737 mF cm~(-2))和出色的循环稳定性(在10 mA cm~(-2)下进行4000次循环后,保留原始比电容的81.76%)。这些出色的结果表明,石墨烯/CoMoO_4纳米片复合材料具有巨大的潜力,可作为高性能超级电容器的电极材料。     

超级电容器用石墨烯极片的制备和性能

以石墨粉为原料,通过简便的氧化还原法制备了石墨烯。将石墨烯极片在有机电解液体系中组装成超级电容器。利用XRD、SEM对制备的石墨烯电极进行物相和形貌分析。采用恒电流充放电、循环伏安和交流阻抗对所制备超级电容器的电容性能进行了研究。结果表明,石墨烯电极超级电容器比天然石墨制备的超级电容器的比电容有了明显的提高;在电流密度为200mA/g,电压区间为1.25~2.5V下循环888次后比电容保持在45.5F/g,容量保持率在85.5%,表明石墨烯材料制备的电容器具有较好的充放电循环性能。     

超级电容器用石墨烯极片的制备和性能

以石墨粉为原料,通过简便的氧化还原法制备了石墨烯。将石墨烯极片在有机电解液体系中组装成超级电容器。利用XRD、SEM对制备的石墨烯电极进行物相和形貌分析。采用恒电流充放电、循环伏安和交流阻抗对所制备超级电容器的电容性能进行了研究。结果表明,石墨烯电极超级电容器比天然石墨制备的超级电容器的比电容有了明显的提高;在电流密度为200mA/g,电压区间为1.25~2.5V下循环888次后比电容保持在45.5F/g,容量保持率在85.5%,表明石墨烯材料制备的电容器具有较好的充放电循环性能。     

以MoS2修饰的3D打印还原石墨烯气凝胶制备微型超级电容器电极(英文)

微型超级电容器(MSCs)具有高的功率密度和卓越的循环性能,广泛的潜在应用,因而受到诸多关注。然而,制备具有高表面电容和能量密度的MSCs电极仍然存在挑战。本研究使用还原石墨烯气凝胶(GA)和二硫化钼(MoS₂)作为材料,结合3D打印和表面修饰方法成功构建了具有超高表面电容和能量密度的MSCs电极。通过3D打印技术,获得具有稳定宏观结构和GA交联微孔结构的电极。此外,采用溶液法在3D打印电极表面加载MoS₂纳米片,进一步提高了材料的电化学性能。具体而言,电极的表面电容达3.99 F cm^-2,功率密度为194μW cm^-2,能量密度为1 997 mWh cm^-2,表现出卓越的电化学性能和循环稳定性。这项研究为制备具有高表面电容和高能量密度的微型超级电容器电极提供了一种简单高效的方法,在MSCs电极领域具有重要的参考意义。     

一种新型氧化还原活性凝胶电解质在超级电容器中的应用

以2-巯基吡啶(PySH)为氧化还原活性介质,以聚乙烯醇(PVA)为聚合物基体,采用溶液共混法制备了PVA-H2SO4-PySH凝胶电解质,研究了Py-SH添加量对凝胶电解质离子电导率的影响,并组装了活性炭电极超级电容器,利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗谱和自放电等测试对超级电容器电化学性能进行了表征。结果表明,PySH的引入提高了凝胶电解质的离子电导率,同时也改善了超级电容器的电化学性能,在相同电流密度下,超级电容器电极比电容由137F/g提高为394F/g,能量密度由3.6Wh/kg提高到12.4Wh/kg,经过3000次充放电循环后比电容保持率为89%。     

三维石墨烯的可压缩性能及在超级电容器中的应用

以氧化石墨烯为原料,通过水热反应和高温焙烧过程制备了三维石墨烯柱状体材料。采用机械力学测试方法分析三维石墨烯的可压缩性能,将其作为超级电容器的电极材料测试其电化学性能。结果表明,三维石墨烯呈多孔网状结构,具有良好的可压缩性能和机械性能。电极片厚度为2 mm,铝塑外包尺寸为5 cm×6 cm的对称超级电容器在电流密度为0.1 A/g下比电容为175 F/g,在电流密度为1 A/g下充放电循环10 000次后比电容保持率为81.9%。在加载不同大小压力压缩状态下,其保持了良好的电容性能。     

Mn2+掺杂聚苯胺的电化学制备及电容特性

在硫酸介质中以苯胺和MnSO4·H2O为单体,采用循环伏安法(CV)合成了Mn2+掺杂的聚苯胺(PANI)。利用红外光谱、X射线衍射、场发射扫描电镜等手段对其结构和形貌进行了表征。在0.5mol/L H2SO4电解液中,对合成的粉末构成的电极进行了循环伏安、恒流充放电(CP)及交流阻抗(EIS)等电化学性能测试。结果表明,电化学合成Mn2+掺杂的PANI有良好的电化学电容性,以5mA/cm2的电流密度放电时比电容高达859F/g,循环500次后比电容保持在540F/g,是一种具有优良应用前景的超级电容器材料。     

泡沫镍负载Co_3O_4纳米线制备及其超电容性能研究

以硝酸钴、尿素为原料,泡沫镍为基底,通过水热、煅烧法制备了Co_3O_4纳米线阵列,并采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜及X射线衍射对Co_3O_4纳米线的微观形貌及晶体结构进行了分析。采用电化学工作站测试了Co_3O_4纳米线阵列作为超级电容器电极的电化学性能。结果显示:Co_3O_4纳米线阵列作为超级电容器电极材料在5mA/cm~2的电流密度下,具有高达1670F/g的比电容。同时显示出良好的倍率特性和较高的循环稳定性,应用前景良好。     

一种新型氧化还原活性凝胶电解质在超级电容器中的应用

以2-巯基吡啶(PySH)为氧化还原活性介质,以聚乙烯醇(PVA)为聚合物基体,采用溶液共混法制备了PVA-H2SO4-PySH凝胶电解质,研究了PySH添加量对凝胶电解质离子电导率的影响,并组装了活性炭电极超级电容器,利用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗谱和自放电等测试对超级电容器电化学性能进行了表征。结果表明,PySH的引入提高了凝胶电解质的离子电导率,同时也改善了超级电容器的电化学性能,在相同电流密度下,超级电容器电极比电容由137F/g提高为394F/g,能量密度由3.6Wh/kg提高到12.4Wh/kg,经过3000次充放电循环后比电容保持率为89%。     

插入型化合物作为超级电容器电极材料

制备了LiMn2O4、LiCoO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2,并将其与活性炭按一定比例混合的复合物作为超级电容器的正极材料,采用X射线衍射、交流阻抗、循环伏安、恒流充放电等测试方法对电极材料和电容器的性能进行了测试.结果表明,当LiMn2O4或LiCoO2含量为50%时,二者与活性炭之间存在良好的协同作用,具有双电层电容和氧化还原准电容,电容器比容量可达到40.52F/g,电压可达到3V,电容性能优于单纯的活性炭或离子插入型化合物.     

纳米CaCO_3模板法合成石油沥青基多孔类石墨烯炭材料（英文）

利用纳米CaCO_3模板耦合原位KOH活化方法合成出超级电容器用多孔类石墨烯炭材料(PGCMs)。采用透射电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱和N_2吸脱附技术对PGCMs进行了表征。结果表明,PGCMs的比表面积为1 542～2 305 m~2 g~(-1),其取决于模板、KOH/沥青的比例和活化温度。当模板/沥青比为1.5、KOH/沥青比为1.5,在850℃恒温1 h所得PGCM的超电容性能最佳。同时,PGCMs具有相互连接的类石墨烯炭层和丰富的分级短孔。在6 M KOH电解液中,0.05A g~(-1)电流密度下,超级电容器用PGCMs电极的比容高达293 F g~(-1);在20 A g~(-1)电流密度下,其电容保持为231 F g~(-1),显示了良好的倍率性能;经7 000次循环充放电后,其电容保持率为97.4%,展现了优异的循环稳定性。此外,在BMIMPF_6离子液体电解液中,0.05 A g~(-1)电流密度下,PGCMs电极的比容高达267 F g~(-1)。PGCMs超级电容器的能量密度达148.3 Wh kg~(-1),其相应的平均功率密度为204.2 W kg~(-1)。本工作为利用廉价的纳米CaCO_3模板合成高性能超级电容器用石油沥青基多孔类石墨烯炭材料提供了一种可行的方法。     

SU-8胶高温碳化制备微电极研究

采用SU-8光刻胶为前驱体,控制转速在硅基上均匀旋涂SU-8胶薄膜,采用不同碳化温度制得微型微机电系统(MEMS)超级电容器多孔碳电极材料。研究结果表明:在碳化温度为900℃的条件下,制得的MEMS超级电容器多孔碳电极材料的孔隙结构发达、导电性较好,0.5mA/cm~2电流密度下比电容可达49.3mF/cm~2,在超级电容器电极材料领域具有较好的市场前景。     

有序介孔碳材料的表面改性及电化学性能研究

选用HNO3对有序介孔碳材料进行表面改性。通过红外光谱、氮气吸-脱附等测试手段对介孔碳(OMC)和硝酸改性介孔碳(OMC-H)的结构进行表征。采用循环伏安、恒流充放电、交流阻抗等测试比较OMC和OMC-H的电化学性能。结果表明,改性后OMC-H的孔结构发生了变化,OMC的介孔孔径增大,比表面积和孔体积减小。同时,改性也改善了超级电容器的电化学性能。OMC-H单电极在1 m V/s的比电容为262 F/g,高于OMC单电极的比电容(205 F/g)。改性后OMC-H电容器的电荷转移阻抗明显减小。OMC-H电容器欧姆电压降明显小于OMC,表明硝酸改性后介孔碳电极的等效串联内阻减小。改性后OMCH电容器充放电1 500次以后,比电容趋于稳定在58F/g,相比改性前OMC电容器的49 F/g有明显的增加。     

柔性钛箔上生长的自支撑TiO_2@NiCo_2S_4阵列复合材料用作高性能非对称超级电容器电极（英文）

近年来,随着可穿戴电子技术的出现,制作出质量轻、灵活性强的电子设备也越来越受到人们的重视,相应具有可穿戴功能的高电化学性能的储能设备也备受关注。其中,超级电容器具有循环寿命长、充放电速度快、功率密度高等优点,是一种很有前途的储能设备。因此,柔性超级电容器的设计和生产被认为是满足先进柔性电子设备需求的最有前途的策略之一。鉴于电极材料是影响超级电容器的性能和生产成本的关键因素,因此开发高性能和低成本的电极材料是超级电容器研究的重要内容。在众多研究的电极材料中,双金属化合物因具有较高的理论比电容、较低的成本,对环境相对友好,耐碱腐蚀等优势而引起研究人员的广泛关注。其中,金属硫化物中硫钴镍是一种典型的双金属硫化物。硫钴镍具有理论容量高、电负性较低、电化学活性高、资源丰富易得、无毒、易制备等特点,因此被广泛用于超级电容器的电极材料。硫钴镍虽然具有较高的理论容量,但目前仍面临以下几个严重问题:(1)硫钴镍导电性差,实际电化学比容量低于理论容量;(2)硫钴镍在充放电过程中存在严重的体积膨胀,使得电容器结构被破坏进而造成电容器循环性能的快速衰减。目前的解决办法一般是通过将硫钴镍与各种碳材料、金属氧化物及导电聚合物复合,改善材料的结构、形貌和导电性,以此提高材料的电化学性能。硫钴镍与金属氧化物、硫钴镍与碳材料复合的电极材料在制成超级电容器的电极极片时需要添加导电剂和粘结剂,这不仅增加了电极的成本,而且也使制作环节变得复杂,更重要的是活性物质的外露面积也会因为粘结剂的使用而减小。现在许多研究将导电活性物质直接生长在集流体上形成自支撑结构,这种结构形式既简化了超级电容器电极的制作流程,又提高了电容器的电化学性能。本研究以Ti片为基底,采用分步水热法先在Ti片表面生长TiO_2纳米带阵列,然后在其上包覆生长NiCo_2S_4纳米片,得到NiCo_2S_4纳米片包覆TiO_2纳米带的核/壳阵列结构。将TiO_2@NiCo_2S_4作为超级电容器无粘结剂和导电剂的电极。三电极测试结果表明:1 A·g~(-1)时TiO_2@NiCo_2S_4电极的比电容达到1 300 F·g~(-1)。此外,将煤基多孔碳(CPC)作为负极,TiO_2@NiCo_2S_4作为正极,组装成了TiO_2@NiCo_2S_4//煤基多孔碳(CPC)不对称超级电容器(ASC)。电化学测试结果表明:TiO_2@NiCo_2S_4//CPC不仅具有较高的能量密度和功率密度(在400 W·kg~(-1)时为41.6 Wh·kg~(-1)),而且具有良好的循环稳定性(在4 A·g~(-1)下循环5 000次后,电容保持率大于80%)。这是由于采用多级阵列式结构的复合电极具有以下优势:(1)比表面积大,增大了活性物质和电解液的接触面积;(2)孔道丰富,减少了电解液离子迁移的距离;(3)避免了使用传统电极制作过程中导电剂和粘结剂,减少了生产成本、缩短了加工时间。这种交织的三维(3D)网络结构和柔性衬底的设计为获得高性能柔性衬底电极材料提供了新方法。     

水热法合成二硫化钼花状微球及其电容性能研究

使用水热法以钼酸铵为钼源,硫脲为硫源制备了由纳米片组成的三维花状的二硫化钼微球。利用XRD、Raman、SEM和TEM对产物的微观结构和形貌进行了表征。同时通过循环伏安法、恒电流充放电和交流阻抗谱研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。测试表明MoS2花状微球电极材料在电流密度为0.5A/g时,比电容可达225F/g,具有良好的倍率性能,是一种性能优异的超级电容器电极材料。     

梯级孔生物质活性炭的制备及其电容特性研究

以柚子皮为原料,采用预先炭化-KOH活化工艺制备生物质活性炭,并将其用作超级电容器电极材料。采用低温氮气吸附、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及X射线光电子能谱(XPS)等方法表征生物质活性炭的孔结构、表面形貌等微观结构和表面化学性质,利用恒流充放电、循环伏安、漏电流等手段探究生物质活性炭用作电极材料的电化学特性。研究表明:柚子皮经预先炭化-KOH活化处理可以制备出比表面积为1 347~2 269m~2/g,总孔容达0.642~1.283cm~3/g,中孔比例为23.83%~48.90%的高品质生物质活性炭。该生物质活性炭具有发达的比表面积、"大孔-中孔-微孔"三维贯通梯级孔结构,且表面富含羰基、酚羟基及羧基等含氧官能团,是一种比较理想的超级电容器电极材料。生物质活性炭电极材料在KOH电解液中具有优异的电容特性,在50mA/g电流密度下的比电容最高可达243F/g,5 000mA/g电流密度下的比电容仍可保持为175F/g,且具有优异的循环稳定性,循环1 000次后比电容保持率高达93.34%,漏电流仅为0.006 3mA。生物质活性炭优异的电化学特性与其发达的比表面积、"大孔-中孔-微孔"三维贯通梯级孔结构、合理的孔径分布及独特的富氧表面化学性质密切相关。     

(Mn_7C_3,Ni)@C核壳型纳米粒子制备及超级电容器电化学特性

采用直流电弧法,在CH_4气氛下以钨棒为阴极蒸发锰镍混合物阳极靶材,制备了(Mn_7C_3,Ni)@C纳米粒子,并用作超级电容器电极材料。(Mn_7C_3,Ni)@C纳米粒子具有明显的核壳结构,平均粒径50 nm。在碳外壳包覆下,内核为Mn_7C_3和Ni的混合物。镍有催化作用,促进碳源形成,影响C壳厚度,锰容易与碳结合生成具有赝电容特性的Mn_7C_3。镍因其催化作用促进碳壳成长,使纳米粒子具有双电子层电容。Mn-C化合形成的Mn_7C_3具有赝电容特性。因此,不同锰镍比例对电极电化学性能有极大影响:锰比例越高,材料比电容越好(485.12 F/g),但循环寿命随之变差;镍比例越高,材料循环稳定性越好(303.57 F/g),1000次循环后其比电容保持为原来的70%。     

用于超级电容器的还原氧化石墨烯/NixMn1-x/2O2复合材料的电化学性能

MnO₂为有前景的超级电容器正极材料,具有较高的理论比电容及良好的循环稳定性,但电子电导性不佳限制了其应用。采用一步水热法制备了还原氧化石墨烯（RGO）/Ni_xMn_1-x/2O₂复合材料。通过XRD、SEM、TEM、FTIR、电化学分析等手段对制备的RGO/Ni_xMn_1-x/2O₂物相组成、微观形貌和电化学性能进行了表征和分析。电化学测试结果表明：Ni元素的引入提高了MnO₂的电容性能,以水热法制备的MnO₂的比电容为66 F/g （扫描速度10 mV/s）,而Ni元素掺杂量x=0.02时,Ni_0.02Mn_0.99O₂比电容为111 F/g;材料中引入RGO后,RGO/Ni_xMn_1-x/2O₂复合材料电容性能进一步提高,加入2wt%的RGO时,RGO/Ni_0.02Mn_0.99O₂的比电容为136 F/g。RGO的引入提高了活性材料的电子迁移速率,Ni元素的掺杂造成了MnO₂晶格中存在适量的点缺陷,提高了其导电性。以RGO/Ni_xMn_1-x/2O₂为正极的超级电容器可同时具备双电层电容器和赝电容器的优点,以Ni掺杂MnO₂和RGO的负载协同提高了该复合材料电化学性能。     

氧化镍/四氧化三钴@镍钴与活性炭的非对称超级电容器的制备（英文）

金属氧化物是一种颇具前景的超级电容器活性材料,然而较差的导电性阻碍了其实际应用。本文通过在高导电性镍钴纳米线上原位生长氧化镍和四氧化三钴活性物质,制备自支撑柔性氧化镍/四氧化三钴@镍钴一体化电极。纳米线表面原位生长活性物质可以提升活性物质与集流体间电子的传输效率。网络状纳米线结构利于离子传输并能释放充放电过程中形成的应力。基于这种独特的结构特点,氧化镍/四氧化三钴@镍钴电极在电流密度为5 mA cm~(-2)时,具有1.36 F cm~(-2)的比容量,循环10 000圈后仍然具有96.95%的容量保持率。氧化镍/四氧化三钴@镍钴与活性炭组装成的非对称超级电容器在能量密度为0.32 mWh cm~(-2)时,具有8 mW cm~(-2)的功率密度,证明此种材料在高性能超级电容器中的广阔应用前景。     

石墨烯/聚吡咯导电复合材料超级电容器电极的制备研究

超级电容器与锂电池相比具有更高的循环稳定性以及更高的能量密度。提高超级电容器电极材料化学稳定性,增大离子吸附比表面积,以获得更好的电化学性能,成为超级电容器研究领域的热点。以湿化学还原法制备的石墨烯为基底,采用原位电化学沉积法制成了石墨烯/聚吡咯导电复合材料超级电容器电极。通过扫描电子显微镜(SEM)对电极的微观形貌进行了观察,利用电化学工作站对组装的超级电容器电化学性能进行了系统表征,同时探讨了沉积浓度和沉积时间对电化学性能的影响。结果表明,在0.2 mol/L吡咯溶液中沉积时间为22.5 min制备出的石墨烯/聚吡咯导电复合材料电极的比电容可达388 F/g,表现出优良的超级电容器电化学性能。