氧化物型超级电容器电极材料的研究进展

氧化物型电极材料可以发生可逆的氧化还原反应从而具有较大的赝电容,其比容量远远大于活性炭材料的双电层电容,而且使用寿命长,维护简单,具有广阔的应用前景。主要论述了超级电容器用氧化物电极材料(RuO_2、MnO_2、NiO和Co_3O_4等)的储能原理、制备和性能的研究现状。     

氧化物型超级电容器电极材料的研究进展

氧化物型电极材料可以发生可逆的氧化还原反应从而具有较大的赝电容,其比容量远远大于活性炭材料的双电层电容,而且使用寿命长,维护简单,具有广阔的应用前景。主要论述了超级电容器用氧化物电极材料(RuO_2、MnO_2、NiO和Co_3O_4等)的储能原理、制备和性能的研究现状。     

竹质中孔活性炭在双电层电容器中的应用研究

以毛竹废料为原料,采用磷酸活化法制备了具有较高比表面积又含有大量中孔的活性炭,根据77K氮气吸附等温线对其结构性质进行了表征,并以产品活性炭为电极材料组装双电层电容器,对其充放电性能进行了测试.实验结果表明:产品活性炭比表面积为1567m2/g,中孔体积为0.67cm3/g,中孔比例达47.18%.以该活性炭为电极材料的双电层电容器具有良好的充放电性能,既能以小电流长时间慢速充放电,又能以大电流短时间快速充放电,电极比电容达170F/g.在1000mA/g电流密度下,活性炭放电比电容为131F/g,比电容保持率为77%,功率特性良好.     

空气氛围下废弃秸秆转化为铁/生物碳复合储能材料的研究

采用熔融盐法通过向秸秆材料中掺杂铁元素，将废弃秸秆转化为铁氧化物/生物碳储能材料(FeBNS)。研究了铁加入量对FeBNS储能性能的影响，并对其进行结构表征和电化学性能测试。结果表明，碳基材料中的铁氧化物主要以Fe₂O₃和Fe₃O₄的形式存在，FeBNS呈现出明显的片状结构，并且具有丰富的孔道结构。成功制备了具有双电层电容和赝电容性质的超级电容材料，在电流密度为2 A/g时，电容为212.2 F/g;电流密度为10 A/g时，电容为149.9 F/g,保留率为70.6%。     

碳材料在柔性超级电容器中的研究进展

轻便灵活的柔性超级电容器在可穿戴和便携式电子储能装置中有着潜在的应用前景。碳材料因具有优异的柔韧性、良好的导电性和较大的比表面积,通常在柔性超级电容器中发挥着柔性基底和导电活性填料的作用。本文首先综述了双电层、赝电容以及混合型超级电容器的储能机理。其次分别介绍了以碳材料作为柔性基底和导电活性填料的最新研究进展。碳材料作为柔性基底复合赝电容材料时,既可以提供大的比表面积,也可为氧化还原反应提供大量活性位点;而作为其他柔性基底的导电活性填料时,既能够改善赝电容材料稳定性的问题,也为电解质离子提供传输通道。文章最后提出了当下柔性超级电容器电极在力学性能、制备方法和评价标准中面临的相关问题。     

PAN基凝胶聚合物电解质双电层电容器

为了得到安全、无泄漏、微型、超薄型的双电层电容器,采用内聚合方法制得聚丙烯腈基凝胶聚合物电解质双电层电容器,电解质的增塑剂为碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯,支持电解质为高氯酸锂,电极材料分别为比表面积1000m2/g和2600m2/g的活性炭。采用交流阻抗、循环伏安、恒流充放电、循环寿命等测试方法对内聚合式凝胶聚合物电解质及其组成的双电层电容器的性能进行了测试。结果表明,此种方法制得的双电层电容器的内阻小,比容量较大,其中以比表面积2600m2/g活性炭为电极材料的电容器的双电极比容量达到47.41F/g。     

添加松木屑对无灰煤基活性炭结构和电化学性能的影响

以褐煤基无灰煤和松木屑为原料，以KOH为活化剂，制备双电层电容器用活性炭电极材料。采用XRD,FTIR,SEM及低温N₂吸脱附表征活性炭的组成和结构，通过循环伏安测试、恒流充放电测试及交流阻抗测试考察其电化学性能。结果表明：制备时向无灰煤中添加松木屑可以改善活性炭的孔径分布，提高活性炭的电化学性能。当松木屑添加量为30%时，活性炭的电化学性能达到最佳，此时比表面积为2 695 m²/g,比不添加松木屑时增加了44%,且0.5 nm～1.5 nm的有效孔增加了11%,小于0.5 nm的无效孔减少了24%,孔径分布更加合理。以该活性炭作双电层电容器的电极材料，在0.05 A/g的电流密度下比电容达到321 F/g,比以不添加松木屑时制备的活性炭作电极材料时的比电容提高了30%,电荷转移电阻降低了35%,证明添加松木屑可有效改善无灰煤基活性炭的电化学性能。     

C@MnO_2复合物的制备及其电化学性能

采用水热法,通过控制KMnO_4浓度,制备出不同C/Mn比例的球体复合材料,应用于超级电容器,探讨不同C/Mn比例对比电容的影响。结果表明,在0.5 mol/L Na_2SO_4电解液中,CSM-3最高比电容可达216 F/g,1 A/g电流密度下恒流充放电400次,容量衰减不到4%,循环稳定性良好。简要分析了复合材料电极过程中双电层电容和赝电容对总电极容量的贡献。     

C@MnO_2复合物的制备及其电化学性能

采用水热法,通过控制KMnO_4浓度,制备出不同C/Mn比例的球体复合材料,应用于超级电容器,探讨不同C/Mn比例对比电容的影响。结果表明,在0.5 mol/L Na_2SO_4电解液中,CSM-3最高比电容可达216 F/g,1 A/g电流密度下恒流充放电400次,容量衰减不到4%,循环稳定性良好。简要分析了复合材料电极过程中双电层电容和赝电容对总电极容量的贡献。     

基于大豆分离蛋白多孔材料的超级电容器的构建及性能研究

聚合物电解质作为固态超级电容器的重要组成部分成为了研究热点。本论文利用天然高分子大豆分离蛋白自身的乳化性,与EMPA交联制备了具有多孔结构的聚合物电解质基体材料,结合硫酸锂电解质,构建了大豆分离蛋白基聚合物电解质,并采用活性炭电极组装了双电层电容器,其单电极质量比电容在1.0 A/g的电流密度下能够达到113.59 F/g。     

稻壳基活性炭电极材料制备及其电化学性能研究

以稻壳为原料,氢氧化钠为活化剂,制备活性炭.进一步将该活性炭作为电极材料,以氢氧化钾溶液为电解液,组装超级电容器.采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附脱附(BET)、扫描电镜(SEM)等手段,分析了不同活化温度对活性炭的比表面积及孔结构的影响,并利用恒流充放电、循环伏安等方法研究了电容器的电化学性能.结果表明:800 ℃活化下活性炭的比表面积最佳,为2760 m2/g,孔结构发达.此条件下,在6 mol/L的KOH电解液中,活性炭电容器比电容达267.2 F/g,等效内阻仅2.2 Ω,倍率性能好.经过5000次循环后,其电容保持率仍有83.7%,表明该稻壳基活性炭电极具有优异的充放电可逆性和循环稳定性.     

氧化铌/木质活性碳纤维复合材料的结构性能表征

以木质活性碳纤维(ACHF)为载体,通过浸渍草酸铌以及改变煅烧温度,制备出不同煅烧温度(400、600和800℃)下的氧化钯/木质活性碳纤维(Nb2O5/ACHF).采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)和全自动比表面积与孔径分析(BET)仪对制备的氧化铌/木质活性碳纤维结构、表面孔径等进...     

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。     

基于竹节的双电层电容器用高比表面积活性炭的研究

竹节在隔绝空气的条件下，经不同温度炭化处理后与KOH混合，制取竹节基高比表面积活性炭，考察了炭化温度，KOH与竹节炭的质量比，活化温度和活化时间对所得高比表面积活性炭比电容的影响和组装的双电层电容器的充放电特性，结果表明，控制适宜的炭化，活化工艺条件下可制得比电容达55F／g的竹节基高比表面积活性炭，由它组装的双电层电容器具有良好的充放电性能和循环性能，但内阻过高，大电流下充放电时电容量下降过大。     

Gelatin-based activated carbon with carbon nanotubes as framework for electric double-layer capacitors

Gelatin-based activated carbons (GBACs) were prepared by activation of novel synthetic gelatin/carbon nanotubes (CNTs) hybrid foams for 2 h at 800 °C using KOH and 1:2 component ratio. The results of scanning electron microscopy (SEM) showed that CNTs were homogenously dispersed with the form of three-dimensional framework in the gelatin matrix. Porosity development of GBACs was assessed by nitrogen adsorption at −196 °C and their capability of the charge accumulation in the electric double-layer was performed by galvanostatic, voltammetric and impedance spectroscopy techniques. GBACs with various contents of CNTs differ in terms of the total pore volume (from 0.57 to 0.98 cm³/g) and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area (from 1,000 to 1,992 m²/g). Very promising specific capacitance values, ranging from 155 F/g to 262 F/g, have been found for GBACs operating in 6 mol/l KOH electrolytic solution. With a moderate content of CNTs, the specific capacitance and electronic conductivity of GBAC are substantially improved because of the combination of increased conductivity, high surface area and electrolyte accessibility of the composite electrode.     

Exfoliated carbon fibers as an electrode for electric double layer capacitors in a 1 mol/dm H2SO4 electrolyte

Exfoliated carbon fibers (ExCFs) synthesized through the rapid heating of intercalation compounds of carbon fibers were examined as electrodes of electric double layer capacitors (EDLC). The measurement of EDLC was performed using a standard three-electrode cell with 1 mol/dm³ sulfuric acid electrolyte. The capacitance of as-prepared ExCFs reached 117 F/g, even though they had a relativity small surface area of about 330 m²/g. After air activation of ExCFs, the BET surface area increased slightly, but the capacitance of the EDLC increased up to 160 F/g. Capacitance of ExCFs strongly depended on their BET surface area, having a different dependence from that reported on activated carbon fibers.     

基于低共熔溶剂体系的氮掺杂超级电容炭

以杉木屑为原料,氯化锌和尿素为低共熔溶剂,炭活化后制备了氮掺杂活性炭,采用正交实验设计考察了浸渍比、活化温度和活化时间对活性炭电化学性能的影响。采用比表面积(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、循环伏安、恒流充放电等表征手段研究了材料的孔隙结构和表面化学元素及电化学性能。研究结果表明：最佳工艺条件是浸渍比为4,活化温度为750℃,保温时间为3h。对活性炭的孔隙结构进行分析,可以发现低共熔溶剂活化后的活性炭有利于微孔的形成且比表面积可达到797.82m²/g,氮含量为11.55%,其中氮元素化合态主要表现为吡啶型N、吡咯型N和石墨型N。在6mol/L的KOH电解液中,当电流密度1A/g时,可达233.85F/g的比电容,当电流密度增加到20A/g时,比电容依然能够维持在159.6F/g。     

Influence of oxygen treatment on electric double-layer capacitance of activated carbon fabrics

Oxygen treatment at 250°C on polyacrylonitrile-based activated carbon fabric was conducted to explore the influence of carbon-oxygen complexes on the performance of capacitors fabricated with the carbon fabric. Surface analysis showed that most of the oxygen functional groups created from the oxygen treatment were the carbonyl or quinone type. The performance of the capacitors was tested in 1 M H₂SO₄, using potential sweep cyclic voltammetry and constant current charge-discharge cycling. It was found that the Faradaic current, the contributor of pseudocapacitance, increased significantly with the extent of oxygen treatment, while the increase in the double-layer capacitance was minor. Due to the treatment the overall specific capacitance showed an increase up to 25% (e.g., from 120 to 150 F g⁻¹ at a current density of 0.5 mA cm⁻²). However, the distributed capacitance effect, the inner resistance and the leakage current were found to increase with the extent of oxidation. It is suggested that due to the local changes of charge density and the increase in redox activity the presence of the carbonyl- or quinone-type functional groups may induce double-layer formation, Faradaic current, surface polarity, and electrolyte decomposition.     

基于聚丙烯腈/苯并噁嗪的柔性碳纳米纤维薄膜的制备及其电化学性能研究

通过将苯并噁嗪、聚丙烯腈(PAN)和乙酰丙酮铁共同静电纺丝的方式制备了柔性良好的碳纳米纤维薄膜.结果表明,引入结构设计的苯并噁嗪可以有效地将N、O、S等杂元素引入碳纳米纤维薄膜,从而有效地提高电极的赝电容特性及电解质对电极的浸润性.并在此基础上,进一步将环境友好且赝电容特性明显的Fe3O4沉积在所得碳纳米纤维薄膜上,最...     

Electrochemical characterization of carbon nanotubes as electrode in electrochemical double-layer capacitors

Carbon nanotubes uniformly 50 nm in diameter were directly grown on graphite foil. Cyclic voltammetry (CV) shows that the carbon nanotube/graphite foil electrode has a high specific capacitance (115.7 F/g at a scan rate of 100 mV/s) and exhibits typical double-layer behavior. A rectangular-shaped CV curve persists even at a scan rate of 100 mV/s in 1.0 M H₂SO₄ aqueous solution, which suggests that the carbon nanotube electrode could be an excellent candidate as the electrode in electrochemical double-layer capacitors. In addition, the influence of the potential scan rate, aging, and the electrolyte solution on the specific capacitance of nanotube electrodes was also studied.