煤基石墨烯/炭纳米纤维复合材料的制备及其电化学性能

作为一种高性能新型储能器件,超级电容器具有功率密度高、充电时间短、绿色环保等诸多优点,决定超级电容器性能的关键因素是电极材料的性能。以煤为原料,通过高温热处理、化学氧化及等离子体还原技术制备得到煤基石墨烯;进一步将煤基石墨烯与聚丙烯腈(PAN)通过静电纺丝技术复合制备得到煤基石墨烯/炭纳米纤维(PM-CG)复合材料,以期借助于石墨烯所具备的高导电性、电子迁移率等性能获得具有优良电化学性能的电极材料。采用物理吸附仪、扫描电镜以及透射电镜等仪器对所制备的炭纳米纤维进行了表征,并通过电化学工作站研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明,煤基石墨烯成功掺杂到炭纳米纤维中,所制备的PM-CG复合材料在6 mol/L KOH电解液中的比电容值可达225.1 F·g~(-1),是同样条件下纯PAN炭纳米纤维比电容值的2.57倍。     

一维有序聚苯胺纳米阵列在超级电容器中的研究进展

从聚苯胺（polyaniline, PANI）的结构特征和导电机理出发,详细叙述了一维有序PANI纳米阵列的优点及各种制备方法,指出了PANI纳米阵列作为超级电容器电极材料的优势。根据电极材料分类,重点综述了PANI阵列结构基与导电高分子材料、碳材料、金属氧化物复合作为超级电容器电极材料的应用情况;讨论了这些电极材料的结构特点、制备方法、提高电化学储能性的机理及上述研究中存在的问题;最后根据存在的问题,提出进一步优化PANI阵列结构基电极材料电化学性能的制备方法与策略,并对未来PANI阵列结构基电极材料在超级电容器的发展前景进行了展望。     

纤维基柔性超级电容器研究进展

介绍了纤维基柔性超级电容器工作原理;详述了不同类型纤维基柔性超级电容器的构成、性能和特点;并展望了纤维基柔性超级电容器未来的研究方向和趋势。根据组装方式的不同,纤维基超级电容器主要可分为并列型、扭转型、缠绕型、同轴型和轧制型。并列型纤维基超级电容器制备简便,但能量存储性能受到限制,兼容性差;扭转型和缠绕型纤维基超级电容器具有较高电极间离子交换效率,操作简便,耐久性相对较差;同轴型纤维基超级电容器制备过程相对复杂,具有较高的电容性能和结构强度;轧制型纤维基超级电容器制备简便,能够提高组装器件的储能性能,但对于制备材料的要求较高。相比其他类型超级电容器,同轴型纤维基超级电容器具有更高的比容量和电化学性能,与织物的结合能力更加优异,将成为制备柔性储能器件和智能纺织品的主要纤维基超级电容器。     

表面化学反应控制制备多级结构电极材料及性能

超级电容器和锂离子电池等储能设备的研究和开发日益受到人们的关注。对于超级电容器和锂离子电池等储能设备,其电化学性能主要取决于电极材料,因此高效储能材料的制备成为开发高效储能设备的关键。本文主要介绍了多级结构过渡金属氧化物基电极材料的制备及性能,重点阐述了本实验室近年来在研制高性能超级电容器和锂离子电池方面的相关工作:基于表面化学反应控制制备多级结构金属氧化物、金属氢氧化物/碳嵌入式纳米杂化物以及多种三维结构的多元复合电极材料,表现出优异的电化学性能。     

溶胶-凝胶法制备超级电容器纳米电极材料的研究进展

溶胶-凝胶法是一种常用的制备超级电容器纳米电极材料的方法。利用溶胶-凝胶法制备超级电容器纳米电极材料将为获得具有优异电化学性能的材料提供了重要的方法和基础。本文介绍了电容器的制备方法及优缺点,通过分析溶胶-凝胶法制备超级电容器纳米电极材料的工艺参数、影响因素与优化策略,通过探讨溶胶-凝胶法的发展历程和相关研究成果,希望可以为今后超级电容器纳米电极材料的研究提供参考。     

MnO2基超级电容器电极材料

超级电容器作为一种新型的储能装置,具有长寿命、高功率等特点,在诸多领域内有广泛的应用前景。在影响超级电容器性能的所有因素中,电极材料的性能起着决定性的作用。二氧化锰(MnO₂)具有原料易得,价格低廉,来源广泛,环境友好等优点。综述了MnO₂超级电容器电极材料的储能机理,纳米MnO₂的微观结构与电化学特性之间的关系,并从纳米MnO₂的制备及其综合改性角度,综述其合成、掺杂改性、复合方法在MnO₂基电极材料的新进展,指出了MnO₂基超级电容器电极材料的主要研究方向。     

木材在电化学中的应用研究进展

木材具有发达的孔道结构和良好的机械性能,用木材制备的电极和电解质材料具备优异的电化学性能,成为了当下的研究热点。本文综述了近年来木材在电化学领域的研究进展,着重介绍了木材基电极和电解质材料的制备方法以及在电化学传感器、超级电容器和电池中的应用情况;分析了木材提高电极和电解质材料电化学性能的机理,指出木材发达的孔道结构能够有效吸附和传输电解质离子,是赋予材料优异电化学性能的关键。最后总结了木材在电化学领域中应用存在的问题,提出今后应加深对木材孔结构、孔形貌的设计和研究,高效利用木材的微观结构,丰富木材的改性方案。     

石墨烯基材料在超级电容器中的研究进展

超级电容器作为一种新型的储能器件,具有广泛的应用前景。石墨烯基材料表现出优异的电化学性能,在超级电容器电极材料方面具有潜在的应用价值。文章简单对石墨烯/碳,石墨烯/金属氧化物,石墨烯/导电聚合物等三类石墨烯基超级电容器电极材料进行简单论述。     

石墨烯基复合电极在非对称超级电容器中的研究进展

非对称超级电容器(ASCs)因电化学性能更为优异而成为近几年来的研究热点,石墨烯作为一种新颖的二维碳材料,具有比表面积大、导电性高、力学性能好和化学稳定性优异等优点,是非对称超级电容器复合电极的一类理想载体材料。本文综述了近几年来石墨烯基复合电极在非对称超级电容器中的应用状况,认为比表面积更大、导电性更好的石墨烯将会促进石墨烯基复合电极在超级电容器中的应用与发展,也会提高石墨烯基非对称超级电容器的性能。指出将金属氧化物、导电聚合物、金属氢氧化物以及金属硫化物纳米化,使之兼具大的有效面积、丰富的氧化还原活性位点等特点,从而提高复合材料的比电容,是石墨烯基复合电极的研究重点。     

纳米聚苯胺的微乳液法制备及电容性能研究

用微乳液法制备了纳米聚苯胺,并将其与活性炭混合制备聚苯胺／活性炭电极。用透射电镜对聚苯胺的形貌进行了表征,用循环伏安法及恒流充放电法对所制电极的电化学性能进行了研究。结果表明：纳米球形聚苯胺的粒径在30～40nm之间,所制得的电极比容为610．3F·g-1（0．5mol／LH2SO4）,显著高于纯活性炭电极的比容171．2F·g-1;在5mA·cm-2的充放电电流密度下,充放电1000次后比容为首次放电比容的71．3％;这表明纳米聚苯胺的加入能显著提高电极的电化学性能。用此组装的非对称型超级电容器的性能也优于用纯活性炭组装的对称型超级电容器,表明纳米聚苯胺是一种性能优异的超级电容器电极材料。     

超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是一种介于电池和传统电容器的一种新的储能器件,也叫电化学超级电容器。介绍了目前国内外的超级电容器电极材料的研究现状以及展望,如碳材料、金属氧化物、导电聚合物。     

A review of cobalt monoxide and its composites for supercapacitors

Cobalt monoxide is a low–valence compound with a face–centered cubic structure and has been deemed as a promising electrode material for energy storage, such as batteries and supercapacitors (SC). In this work, the recent progress of CoO and its composites for SC application is briefly reviewed. The preparation methods for CoO are summarized at first. With the development of nanotechnologies, various CoO nanostructures are thus synthesized for SC, but most architectures grown on conductive substrates show higher specific capacitance than the corresponding power materials. If integrated with some typical guest materials, such as transition metal oxides, hydroxides, sulfides, and carbon materials (including carbon nanotubes, graphene and porous carbon) as well as conductive polymers, the CoO composites usually deliver promoted electrochemical performances. Thus, much attention is focused on the composites of CoO. An outlook for future work is finally put forward.     

中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

中间相炭微球(MCMB)具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势,是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料,但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料,改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面,论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小,且碳结构较稳定,具有优异循环稳定性;内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB,在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率,并提供更多的储锂空间,一般具有优良的充放电比容量和倍率性能;小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积,通常具有较好倍率性能,伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面,论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积,提高了与电解液的接触面积及贮锂容量,改善了锂离子电池负极材料的电化学性能;另外,MCMB表面包覆一层无定型碳,可避免其表面与电解液直接接触,减少电化学副反应的产生,提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面,论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性,减少锂离子嵌入过程中的内部应力,提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构,提高MCMB的比表面积,从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能,有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征,有利于钠离子自由脱嵌,应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积,可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下,从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。     

高性能碳基储能材料的设计、合成与应用

电化学储能器件的性能很大程度上决定于其电极材料。碳材料具有来源广泛、化学稳定性好、易于调控、环境友好等优点,被广泛应用于各类能量存储系统,但仍存在能量密度低、倍率性能差等问题。本文从碳材料孔结构调控、杂原子掺杂、与金属氧化物复合三个角度,综述了构建高性能碳基储能材料的设计合成策略,介绍了其在锂/钠离子二次电池、超级电容器等领域的研究进展,对几种方法策略的优缺点进行了总结,并对未来的研究方向进行了展望。本文对高性能碳基储能电极材料的设计开发具有积极意义。     

MOF衍生的NiCoP/C@NiMn-LDH复合材料的制备与电化学性能研究

为提升超级电容器电极材料的电化学性能,在泡沫镍(NF)上以MOF为模板制备出NiCoP/C导电骨架,后将超薄NiMn-LDH纳米片沉积其上,制备得到核壳结构的NiCoP/C@NiMn-LDH复合材料。电化学测试结果表明,MOF模板的高比表面积、独特的核壳结构和NiCoP/C与NiMn-LDH之间的协同作用有利于电极材料性能的提升。制备得到的NiCoP/C@NiMn-LDH电极在1 A·g^-1下比电容可达2 278.0 F·g^-1;循环2 000圈后电容保留率为93.7%。     

Anchoring 2D NiMoO4 nano-plates on flexible carbon cloth as a binder-free electrode for efficient energy storage devices

The energy security and mounting environmental issues compel the scientific community to allocate greatly efficient and economical energy renovation and storage systems. Among the energy storage devices, supercapacitors have become the forefront in energy storing systems in recent decades. The efficiency of supercapacitors mainly depend on the electrode's material and they usually suffer from a quick reduction in specific capacitance at higher current densities. Herein, we combined the nano-plates like bimetallic oxides (NiMiO₄) with mixed valence states on the surface of a conductive substrate (carbon cloth) without any binder and additives (denoted NMO@CC). The as-prepared electrode NMO@CC showed marvelous electrochemical properties in the aqueous basic electrolyte by achieving a high capacity of 1500 C g⁻¹ at current density of 5 A g⁻¹ with high degree of rate capability. More interestingly, the NMO@CC electrode demonstrated excellent cycling stability of 94.63% after 5000 cycles during charge-discharge process. Further, the charge storage mechanism of NMO@CC electrode is investigated by analyzing the surface capacitive and diffusion controlled processes and it shows high surface capacitive storage (71%). These admirable results are based on the highly open channels for efficient diffusion of electrolyte ions and electronic transmission through the NMO and backbone carbon cloth, respectively. Therefore, accurate morphology and surface manufacturing engineering are highly appreciated to enhance the active surface area and inherent conductivity of electrode materials.     

Conducting Polymer Nanostructures and their Derivatives for Flexible Supercapacitors

This review provides a brief summary of the recent research developments in the fabrication and application of conducting polymer nanostructures and their derivatives as electrodes for flexible supercapacitors (SCs). By controlling the nucleation and growth process of polymerization, conducting polymers (CPs) with different nanostructures can be prepared by employing chemical polymerization, electrochemical polymerization and photo-induced polymerization. These CPs (such as polyaniline and polypyrrole) with special nanostructures possess high capacitance, superior rate capability ascribed to large electrochemical surface, and optimal ion diffusion path in the ordered nanostructures. The composites of nano-structured conducting polymer and some conductive flexible substrates (such as carbon nanotube film and graphene film) are proved to be ideal electrode materials for high performance flexible SCs. Furthermore, high N-containing CPs are very prospective for preparing N-doped carbon materials used as flexible electrodes for flexible SCs. With respect to the extra pseudo-capacitance induced by N atoms and superior stability derived from the conjugated graphitic structure of carbon materials, the obtained flexible SCs based on N-doped carbon materials could achieve high capacitance, high rate performance, and superior cycling stability.     

Electrochemical performance of NiFe2O4 nanostructures incorporating activated carbon as an efficient electrode material

The quest for cost-efficient electro-active materials exhibiting high specific capacitance is currently a key focus in energy-related research. Owing to their high capacitance values, metal oxides (MOs) are preferably being utilized for energy storage applications as electrode materials in supercapacitors. However, the electrochemical performance of MOs is hindered due to less specific surface area and high tendency towards aggregation. Therefore, tuning in electrochemical activity of MOs is essential. In this framework, NiFe₂O₄ was prepared using a facile and cost-effective citrate-gel followed by auto-ignition method, and was incorporated with activated carbon contents to tune the electrochemical performance. Formation of inverse spinel structure of NFO and its stability throughout the compositions was examined using X-ray diffraction analysis. Well-dispersed, spherical and porous morphological features were visualized using a field emission scanning electron microscope. The electrochemical analysis was conducted using CH instruments 660 E via freshly prepared 4 M KOH solution. Cyclic voltammetry was carried out at constant potential window of 0.25–0.65 V and different scan rates (0.009–0.08 Vs^-1). The pseudo-capacitive behavior was perceived from occurrences of oxidation/reduction peaks. In addition, charge/discharge curves revealed cyclic stability over long range cycles. Specific capacitance, discharge time, energy and power density values were also measured for all the compositions and NFO with 1% activated carbon was found to be the most suitable candidate for use as electrode materials in the present work.     

纳米MOFs及其衍生物在超级电容器中的研究进展

金属有机框架（MOFs）材料因其大的比表面积、可调控的孔道结构和丰富的活性位点引起了国内外学者们的广泛关注。近年来MOFs基材料广泛应用于能量储存与转化领域,但大多数MOFs基材料的低稳定性和低导电性等缺陷限制了其实际应用。通过对MOFs基材料进行改性,如采用共轭度高的有机配体以增加MOFs材料的稳定性,或MOFs衍生物以提高其氧化还原活性位点和导电性,从而达到提高MOFs基电极材料的电化学性能。主要介绍了原始MOFs及其衍生材料如碳材料、金属氧化物、金属硫化物、金属氢氧化物和金属磷化物等在超级电容器电极材料中的最新研究进展。研究表明,多金属MOFs材料或多金属MOFs衍生物有利于提高电极材料的电化学性能,而导电MOFs材料或MOFs衍生物中的碳材料有利于提高电极材料的导电性。最后对MOFs基电极材料在电化学储能领域中的研究做出了展望,指出MOFs基材料的形貌、组分和导电性是未来研究的发展方向。