吸附电活性染料的活性炭电极电化学性能

采用商用活性炭（AC）吸附二元混合染料亚甲基蓝（MB）和胭脂红（AR18）,制备得到AC/(MB+AR18)电极材料。比较单一活性炭（AC）和吸附不同浓度的二元混合染料后的活性炭[AC/(MB+AR18)]的电化学性能。三电极体系的测试结果表明：在1mol/L H₂SO₄电解液中,当电流密度为1A/g时,吸附了浓度为400mg/L污染物的AC/(MB+AR18)比电容为182F/g,高于单一AC的比电容（109F/g）。随后选用性能最优的AC/(MB+AR18)-400作为电极材料,组装对称超级电容器器件,发现工作电压窗口从只用AC组装的对称超级电容器的1.1V提高到1.5V,电流密度为0.75A/g时,功率密度为843.84W/kg,能量密度可达32.23W·h/kg,远远高于AC组装的超级电容器(4.74W·h/kg),说明MB和AR18不仅为AC提供额外的法拉第电容,同时有助于提高其工作电压窗口。     

环丁砜混合有机电解液在超级电容器中的应用

将环丁砜作为耐高温、高压添加剂加入到TEA-BF4/AN体系电解液中,应用于商品化100 F活性炭基双电层超级电容器。通过恒流充放电、高温浮充测试对比了添加环丁砜前后两种电解液体系的电化学性能。发现添加环丁砜后的电解液超级电容器具有明显优势,在2.85 V,70℃条件下浮充1512小时,容量保持率高达80%。     

木质素基活性炭氮掺杂改性及其电化学性能

以磷酸法木质素基活性炭为原料, 三聚氰胺为氮源、KOH为活化剂, 采用同步掺杂方式制备了氮掺杂活性炭(NAC)。通过BET、XRD、拉曼光谱和XPS表征手段测试了改性后活性炭的结构及其组分, 并通过电化学表征手段, 测试了其作为超级电容器电极材料在几种不同性质电解液中的性能, 初步探究了电解液对电极材料电化学性能的影响机制。实验结果表明: 改性后的活性炭具有丰富的孔结构, 比表面积达到2 332 m²/g, 微孔孔容为1.37 cm³/g, 中孔孔容为0.74 cm³/g, 平均孔径为2.79 nm, 含氮元素7.5%, 其中类石墨型氮(N-Q)结构达到34.6%。丰富的孔结构和氮含量大幅提升了活性炭的电化学性能, 其在水系电解液中展现出了高比电容, 在1 A/g的电流密度下比电容最高可达424 F/g; 在有机系电解液中, 尽管其在1 A/g的电流密度下比电容最高仅为87 F/g, 由于其工作电压窗口更宽(0~2.5 V), 因此具备了更高的能量密度。对结果进行分析, 发现: 活性炭电极材料在水系电解液中的性能主要受电解液水合离子半径影响, 而在有机系电解液中的性能主要受电解液黏度的影响。     

用于超电容储能的生物质碳材料的电化学性能

以生物质废弃物柚子皮、爆米花、夏威夷果壳为碳源,采用生物质高温碳化技术,在氮气保护下高温碳化处理得到PP、POP、MS三种本质生物质碳材料,利用XRD、SEM、BET等手段对其进行表征,并利用三电极超级电容器体系,在不同的水系电解液中测试超级电容器的电化学性能。当电解液为6 mol/L KOH溶液,电流密度为0.5 A/g时,MS的比电容为58.25 F/g,表现了良好的超级电容器性能。     

柔性聚苯胺/氮化钛纳米线电极材料的制备与储能性能

利用高导电性的氮化钛纳米线作为聚苯胺的生长基质,有效减少电极材料的电荷传输电阻,提升聚苯胺的超级电容储能性能。以碳纤维作为柔性基底,采用晶种辅助水热结合电化学聚合法制备了柔性聚苯胺/氮化钛纳米线电极材料(PANI/Ti N),电极材料呈现高度有序的同轴核壳纳米线结构,且纳米线之间彼此分离,有利于电解液离子的传输,提升储能性能。电流密度为1 A/g时,比电容为403 F/g;电流密度从0.5 A/g增加到10.0 A/g时,比电容保持率为初始容量的53.4%,电流密度为5 A/g时,循环充放电1 000次后PANI/Ti N的电容保持率为79.1%,与PANI相比均有较大提升,表明PANI/Ti N具有较好的电化学储能性质。以PANI/Ti N电极材料为电极构建柔性全固态对称型超级电容器(PANI/Ti N//PANI/Ti N)考察其应用性。PANI/Ti N//PANI/Ti N柔性超级电容器在电流密度为1 A/g时,比电容可达100.2 F/g,且在不同角度弯曲后比电容无明显衰减。当功率密度为500 W/kg时,能量密度可达50.1 W·h/kg,且1个单元的该超级电容器可驱动红色...     

夹心型生物碳电极材料的制备及超级电容器性能

选择板栗壳为碳源(CC),炭化后用KOH活化,制得CC700-OH电极材料.通过SEM、TEM、XRD以及BET等对其形貌和性能进行了表征与测试,发现CC700-OH具有孔/片穿插的夹心结构.在电流密度为1 A/g时,比电容为540 F/g,在电流密度为10 A/g下,循环6000圈后比电容仍可保持初始值的98％.在二电极体系中,组装CC700-OH//CC700-OH对称电容器,该对称电容器在电流密度1 A/g的比电容为106 F/g,电势窗口宽0～1.6 V,首次库伦效率为0.52.功率密度为800 mW/g时,能量密度为37.3 mW·h/g;当功率密度增加至12000 mW/g时,能量密度仍可达23.0 mW·h/g.结果表明,用板栗壳作为碳源制备对称性超级电容器电极材料是可行的.     

多孔氮掺杂石墨烯/MnO2的制备及其电化学性能

用双氧水造孔得到多孔氧化石墨,以尿素为氮源,通过水热法得到了多孔氮掺杂石墨烯(HNG)与MnO2的复合物HNG/MnO2.结果 表明:HNG/MnO2在0.5 A/g电流密度下的比电容可以达到246 F/g,当电流密度达10 A/g,比电容为172 F/g,可以保留70％的比电容.将HNG/MnO2作为正极与石墨烯水凝胶负极组装的非对称超级电容器,在0.5 A/g可以贡献71 F/g的比电容,当电流升至5 A/g仍可有43 F/g的比电容,保持率为62％.此外,非对称超级电容器在5 A/g的电流密度下,稳定循环3000圈后仍可保留90.8％的初始容量.     

夹心型生物碳电极材料的制备及超级电容器性能

选择板栗壳为碳源（CC）,碳化后用KOH活化,制得CC700-OH。对其形貌和性能进行了SEM、TEM、XRD以及BET等表征与测试,发现CC700-OH具有孔/片穿插的夹心结构,在1 A/g时比电容为540 F/g,循环6000圈后比电容仍可保持初始值的98%。在二电极体系中,组装CC700-OH//CC700-OH对称电容器,该对称电容器在1 A/g的比电容为106 F g-1,电势窗口宽0~1.6 V,首次库伦效益为0.52。功率密度为800 mW/g时,能量密度为37.3 mW•h/g,当功率密度增加至12000 mW/g时,能量密度仍可为23 mW•h/g。以上研究结果表明用板栗壳作为碳源制备对称性超级电容器电极材料是可行的。     

氮掺杂石墨烯/碳纳米管/无定形炭复合材料制备及其电化学性能

碳基复合材料被认为是超级电容器广泛应用最有前景的电极材料之一。本文使用氧化石墨烯（GO）、硝酸钴［Co(NO₃)₂］、三聚氰胺为原料,利用钴对高温下热解碳源的催化作用,制备得到了氮掺杂石墨烯/碳纳米管/无定形炭（NC）复合材料,并测试了其电化学性能。探究了金属和三聚氰胺添加量对碳基复合材料结构和性能的影响,研究发现,在添加量分别为0.02mmol和0.3g时,制得的样品具有大比表面积（380.5m²/g）和高掺氮质量分数（6.29%）,并在三电极系统中体现出优异的电化学性能,电流密度为0.5A/g时样品的比电容为137.1F/g,5A/g时比电容为113.5F/g,保持率为88.5%,具有优异的倍率性能,在循环5000圈后样品的容量保持率为104%,具有良好的循环稳定性,这归因于三维结构可以加快充放电过程中的离子转移和氮掺杂可提高材料润湿性和贡献部分赝电容,为超级电容器电极材料的制备提供了理论借鉴。     

表面积对煤基电容炭电化学性能的影响

以河北无烟煤为原料,KOH为活化剂,采用化学活化法制备具有高比表面积的煤基电容炭,考察煤基电容炭的比表面积对无机/有机体系下双电层电容器电化学性能的影响。结果表明:随着碱煤比的增加,所制电容炭的比表面积、总孔容和中孔率增加。当碱煤比达到3.5时,所制电容炭的比表面积、总孔容和中孔率分别为3 389 m2/g、2.041 cm3/g、49.9%。可以看出,对于无机/有机体系,在相同的比表面积变化规律下,电容器电化学性能的变化规律略有不同。当碱煤比小于2时,所制电容炭的比表面积小于2 400 m2/g,此时对于无机/有机体系,电容器的比电容变化规律相同,比电容都随比表面积的增大增幅明显。当碱煤比大于2时,所制电容炭的比表面积大于2 400 m2/g,此时随着比表面积的继续增大,对无机体系,电极材料的比电容几乎维持不变,比电容最高可达331 F/g;对有机体系,电极材料的比电容增幅减缓,比电容最高可达192 F/g。当碱煤比为2时,电容炭的比表面积为2 382 m2/g,此时无论对于无机体系还是有机体系,电容器在保持相对较高比电容的同时具有相对较高的电容保持率。由此可知,一定程度上,提高电极材料的比表面积有利于提升超级电容器的电化学性能。制备具有适宜比表面积的电容炭,在得到较高电容性能电容器的同时更能有效控制成本。同时,以煤为原料制备电容炭,可提升煤的附加值,具有很好的市场前景。     

Crosslinked quaternized poly(arylene ether sulfone) copolymer membrane applied in an electric double-layer capacitor for high energy density

The low energy density of supercapacitors, especially supercapacitors based on aqueous electrolytes, is the main factor limiting their application, and the energy density is closely related to the operating potential window of the supercapacitor. The polymer electrolyte is the main contributor to the safe operation and good ion conductivity of the supercapacitor. In this study, a crosslinked quaternized poly(arylene ether sulfone) (PAES) membrane was prepared via crosslinking during membrane formation with a thermal-only treatment and applied in an electric double-layer capacitor (EDLC). The pre-prepared PAES membrane formed a polymer electrolyte with 1 mol/L Li₂SO₄ and was then fabricated into an EDLC single cell. The properties of both the membrane and ELDC were investigated. The preferred cPAES-N-0.2 polymer electrolyte showed an ionic conductivity of 1.18 mS/cm. The optimized EDLC exhibited a single-electrode gravimetric capacitance of 104.92 F/g at a current density of 1.0 A/g and a high operating potential window (1.5 V); it, thereby, achieved a high energy density of 8.20 W h/kg. The EDLC also exhibited excellent cycling properties over 3000 charge–discharge cycles. The crosslinked structures promoted the tensile strength and thermal stability of the PAES membranes; this was accompanied by a slight decrease in the ionic conductivity. © 2019 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2019 , 136, 47759.     

Ni(OH)2与不同碳质材料复合制备超级电容器电极材料研究进展

超级电容器具有功率密度大、寿命长、生产成本低等优点,被认为是最有发展前途的储能系统之一。然而,超级电容器的低能量密度阻碍了其实际应用。由于存储的能量与CV2成正比,可以通过增加材料的电容"C"或操作电压窗口"V"或两者同时增加来提高超级电容器的能量密度。然而具有宽电位窗口的有机电解质离子往往电导率差,成本高,容易引起环境问题。因此为改善能量密度,应采用高比电容的电极材料,故而设计出具有高比电容的适合电极材料就成为研究热点。Ni(OH)2作为超级电容器电极材料,具有理论容量大、成本低、天然丰富、易于合成等优点,近年来备受关注。但由于Ni(OH)2导电率低、比表面积小,其容量劣化严重。碳质材料作为双电层超级电容器的电极材料,其能量存储机制取决于电极表面的电解质离子吸附和解离,具有导电率好、原料丰富、成本较低、电化学稳定性高等优点而应用广泛。因此,有必要将高导电碳质材料引入Ni(OH)2组成复合材料以提高电容性能。笔者综述了Ni(OH)2基材料的合成方法,特别是与碳质材料复合来提高Ni(OH)2基材料的循环稳定性和倍率性能方面的研究新进展。     

超级电容器用solvent-in-salt型电解液的研究进展

Solvent-in-salt (SIS)型电解液作为一类新型超浓缩电解液，主要由水或者有机溶剂和易溶盐组成，具有溶液溶剂化程度小、自由溶剂分子少、电化学窗口宽、电化学稳定性高等特点，在超级电容器中显示了独特的优势并展现了良好的应用前景。本文重点综述了SIS型电解液的原理和优势，梳理了近年来SIS作为超级电容器电解液的研究进展，总结了其存在的问题，同时展望了SIS型电解液未来的发展方向。     

1-Methyl-3-butylimidazolium tetraflouroborate with activated carbon for electrochemical double layer supercapacitors

This article presents the main features of electrochemical double layer supercapacitors, made of nanostructured carbon materials with specially selected and optimized porosity structure and electrolyte based on solvent-free ionic liquid as follows 1-methyl-3-butylimidazolium tetrafluoroborate (1Me3BuImBF₄). The performance of supercapacitor was carried out by cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge measurements. The main characteristics of stacked supercapacitors exhibit a nominal voltage 3.0 V and a maximum cell voltage 3.5 V as well as a specific capacitance (individual electrode of supercapacitor) of 111 F/g. The specific energy of 4.1 Wh/kg and specific power of 1.7 W/kg for industrial stacked supercapacitor has been achieved.     

超级电容器电解质研究进展

简述了近年来国内外超级电容器各种电解质,包括水系、有机体系、离子液体、固态、氧化还原等电解质的最新研究进展以及重要的理论和技术突破,着重对离子液体、水溶液及有机电解质作为超级电容器电解质的性能进行了比较,并对杂质离子的穿梭效应引起的自放电进行了讨论。最后总结指出开发具有低黏度、高电导率和高电化学稳定性的离子液体电解质是将来超级电容器在基础领域中研究的重点,并有望成为有机电解液的替代者。此外离子液体与混合有机溶剂多种成分的优化组合也是电解质的发展趋势。     

Conventional- and microwave-hydrothermal synthesis of LiMn2O4: Effect of synthesis on electrochemical energy storage performances

The LiMn₂O₄ electrode materials were synthesized by the conventional-hydrothermal and microwave-hydrothermal methods. The electrochemical performances of LiMn₂O₄ were studied as supercapacitors in LiNO₃ electrolyte and lithium-ion battery cathodes. The microwave-hydrothermal method can synthesize LiMn₂O₄ electrode materials with reversible electrochemical reaction in a short reaction time and low reaction temperature than conventional-hydrothermal route. The capacitance of LiMn₂O₄ electrode increased with increasing crystallization time in conventional-hydrothermal route. The results showed that LiMn₂O₄ supercapacitors had similar discharge capacity and potential window (1.2 V) as that of ordinary lithium-ion battery cathodes. In LiNO₃ aqueous electrolyte, the reaction kinetics of LiMn₂O₄ supercapacitors was very fast. Even, at current densities of 1 A/g and 5 A/g, aqueous electrolyte gave good capacity compared with that in organic electrolyte at a current density of 0.05 A/g.     

化学-物理混合活化法对超级电容器用活性炭的改性研究

以活性炭粉末为原料,采用氢氧化钾-水蒸气混合处理法制备超级电容器用活性炭电极材料。通过N2吸附法对材料的比表面和孔结构进行研究,发现活性炭的孔结构和孔径分布得以改善。通过循环伏安和交流阻抗等方法研究活性炭电极的电化学性能,结果表明,超级电容器电化学窗口可以达到4．47,充放电为97．3％,单电极比容量为245．3F／g。通过此方法处理后的活性炭更适宜用作超级电容器的电极材料。     

A high-performance asymmetric supercapacitor based on carbon and carbon–MnO2 nanofiber electrodes

An asymmetric supercapacitor with high energy and power densities has been fabricated using MnO₂/carbon nanofiber composites as positive electrode and activated carbon nanofibers as negative electrode in Na₂SO₄ aqueous electrolyte. Both electrode materials are freestanding in nature without any conductive additives or binders and exhibit outstanding electrochemical performances. The as-assembled asymmetric supercapacitor with optimal mass ratio can be operated reversibly over a wide voltage range of 0–2.0 V, and presents a maximum energy density of 30.6 Wh kg⁻¹, which is much higher than those of symmetric supercapacitors. Moreover, the supercapacitor exhibits excellent rate capability (high power density of 20.8 kW kg⁻¹ at 8.7 Wh kg⁻¹) and long-term cycling stability with only 6% loss of its initial capacitance after 5000 cycles. These attractive results make these freestanding materials promising for applications in aqueous electrolyte-based asymmetric supercapacitors with high energy and power densities delivery.