氮掺杂无定形氧化钒纳米片阵列用于快充型准固态超级电容器

开发高比容量和宽电压的负极材料是提升准固态非对称超级电容器能量密度的有效途径之一.本工作借助水热反应及其产物与氨气的相互作用,在碳纤维布表面构筑了氮掺杂无定形氧化钒纳米片阵列.与未掺杂的无定形氧化钒相比,氮掺杂后的电极材料在-0.9～0V电势窗口下,比容量高达432.2 F/g;在电流密度为1OA/g时,比容量仍然保持203.3 F/g,且表现出优异的循环稳定性.进一步将该负极与MnO2@CC正极和PVA-LiCl凝胶隔膜组装成准固态非对称超级电容器,在475W/kg的功率密度下,能量密度高达50.5W·h/kg.所制备电极材料优异的电化学性能主要归因于其独特的结构,具体为:无定形化可以使得氧化钒暴露更多表面反应活性位,而氮元素掺杂能大幅度地提高无定形氧化钒的本征电导率,从而减少了电化学过程中的极化,显著提升比电容量和反应动力学.     

三维孔道NiMn-MOF电极材料制备及电化学性能研究

针对目前超级电容器电极材料能量密度较低、制备工艺复杂的难题,利用MOF材料的高比表面积、多孔结构的优势,本工作采用简单可控的一步水热法制备具有三维孔道网络结构的双金属NiMn-MOF纳米片,Ni与Mn相近的原子半径有利于双金属NiMn-MOF的合成以及暴露出更多的活性位点,通过不断优化工艺参数（水热温度和水热时间）,进行对比获得了高比容的NiMn-MOF电极材料。同时借助扫描电子显微技术（SEM）、能谱分析技术（EDS）、X射线衍射技术（XRD）对电极材料的形貌和晶体结构进行详细的表征,利用循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）、交流阻抗（EIS）进行电化学性能分析。在6 mol/L的KOH电解液中进行三电极测试,结果表明当电流密度为0.5 A/g时,其比容量高达1023.5 F/g。以双金属NiMn-MOF为正极,活性炭（AC）为负极组装的非对称超级电容器,在电流密度为0.5 A/g时,其比容量为94.37 F/g,并使用该器件成功点亮红色LED灯,表明所制备的双金属NiMn-MOF纳米片具有良好的电化学性能,为超级电容器电极材料的制备提供了新的思路。     

多孔NiMoO_(4)/NiCo_(2)S_(4)复合材料的制备及其电化学性能北大核心CSCD

超级电容器因其功率密度高、充放电迅速、循环寿命长等优点被认为是一种极具发展前景的新型储能装置,其中电极材料的研究是超级电容器发展的关键,材料的微观结构很大程度上决定了材料的电化学性能。本工作采用水热法及热处理制备了NiMoO_(4)/NiCo_(2)S_(4)复合材料,并应用于超级电容器电极。对纳米复合材料的组成及微观结构通过X-射线衍射(XRD)、能量色散X-射线能谱仪(EDS)、X-射线光电子射线能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和氮气吸脱附法进行表征,结果表明复合材料具有多孔三维网状结构,其独特的结构减少了NiMoO_(4)的团聚,增加了材料比表面积,展现出更加优异的电化学性能:在1 A/g的电流密度下,比电容为847.2 F/g(高于NiMoO_(4)电极的576.1 F/g和NiCo_(2)S_(4)电极的734.3 F/g),即使在10 A/g的电流密度下仍保留466.7 F/g的比电容。当NiMoO_(4)/NiCo_(2)S_(4)复合材料作为正极、活性炭作为负极构成非对称超级电容器时,在1 A/g的电流密度下循环2000圈后,仍保留76%的比电容,具有良好的循环稳定性。本研究对NiMoO_(4)作为超级电容器电极材料的发展提供参考,为高比电容、高循环稳定性电极材料的研发提供实验依据。     

纳米多孔合金快速燃烧氧化及高效储能研究北大核心CSCD

具有高理论比容量的过渡金属氧化物在超级电容器储能领域受到高度重视,然而其高倍率、长循环应用仍存在挑战。本研究以三明治复合NiCuMn/Ni/NiCuMn为母合金,通过脱合金化和自燃烧相结合的工艺制备了一体化、高导电三元多孔NiCuMn体系过渡金属氧化物基电极(MPO-NiCuMn),探究了Cu掺杂量对储能的影响。研究发现,不同Cu掺杂量的母合金在Mn选择性脱出后,会在对称合金层形成三维双连通纳米多孔结构。由于该纳米多孔合金前驱体具有高比表面能,可在含氧空气条件下牺牲部分金属自发燃烧氧化,在保持高导电性的同时提高氧化物负载量(>8mg/cm^(2))。电化学性能表征发现,Cu掺杂量为15%时制备的MPO-Ni15Cu15Mn70电极可在50mA/cm^(2)的大电流密度下展现出12.2F/cm^(2)的比电容,远高于MPO-Ni20Cu10Mn70(5.6F/cm^(2))和MPO-Ni10Cu20Mn70(7.7F/cm^(2))电极。以相同面积的MPO-Ni15Cu15Mn70电极组装的对称超级电容器在50mA/cm^(2)电流密度下循环8000次后,容量保持率为95.7%,且倍率性能优异。该对称器件在功率密度为4.2mW/cm^(2)时,具有241mWh/cm^(2)的高能量密度。本研究验证了适量Cu的掺杂可起到主要协同作用,有效改善超级电容器的储能性能。     

Electrochemical deposition of MnO2/PEDOT-PSS composite and its capacitance characteristics

通过电化学方法在泡沫镍基底上电沉积MnO2,然后在其表面原位电聚合导电高分子PEDOT-PSS,形成复合结构材料,并研究不同聚合时间包覆的导电高分子层对复合电极电化学性能的影响。采用拉曼光谱、扫描电镜和透射电子显微镜观察制备的复合材料电极的表面形貌与结构。通过电化学测试结果表明,电聚合10 s得到的PEDOT-PSS包覆的MnO2复合材料（P-MnO2-2）的比容量最高（346.5 F/g）,是MnO2电极（179.1 F/g）的1.9倍,在6 A/g大电流密度下仍具有223.5 F/g的比容量,且循环稳定性比较好。最后使用KOH凝胶固态电解液,组装成柔性对称型固态超级电容器点亮一个LED灯。     

Development of hybrid electrochemical energy storage device based on LiFePO4 and activated carbon

基于磷酸铁锂（LiFePO4）和活性炭（AC）两种单体材料成功构建了磷酸铁锂/活性炭（LiFePO4/AC）复合正极。进一步,通过优化LiFePO4/AC复合电极中两种单体材料的质量比、选择亚微米尺寸的石墨为负极材料, 组装了基于“LiFePO4+AC/石墨”体系的电化学储能器件（锂离子电容器）,同时制备了AC/AC超级电容器作为参照。研究表明,不同类型黏结剂对AC电极的电容特性影响非常显著,其中LA133水性黏结剂的电极性能优于油性黏结剂的;此外,制备的LiFePO4/AC复合正极表现出了电容和电池的双重特性,且复合电极的构建有利于锂离子的嵌入和脱出。复合正极中LiFePO4含量为40%（质量分数）时,构建的锂离子电容器比能量为AC/AC超级电容器的4倍（约40 W·h/kg,以活性材料质量计）,可实现10 C快速充放电;5000次循环后,锂离子电容器和AC/AC超级电容器容量保持率相近,约为初始容量的75%。     

Matching the positive and negative electrode based on hierarchical porous carbon supporting π-conjugated polymers composites for asymmetric organic supercapacitor

能量密度是制约超级电容器实际应用的关键因素,通过正负电极材料的比电容匹配,构建有机非对称超级电容器是提高能量密度的有效途径。本工作以活化分级孔碳（aHPC）作载体,以β-萘磺酸为软模板和掺杂酸,借助化学氧化聚合方法,分别制备出活化分级孔碳负载聚苯胺（aHPC@PANI）及活化分级孔碳负载聚1,5-二氨基蒽醌（aHPC@PDAA）纳米复合材料。结果显示,两种复合材料均呈现疏松多孔的结构,且聚合物以纳米尺度均匀沉积在活化多孔碳孔壁内外,这对提高活性物质利用率及其倍率性能十分有利。在1 A/g电流密度下,aHPC@PANI正极材料与aHPC@PDAA负极材料的比容量,分别达256.7 F/g（–0.6～0.8 V）及253 F/g（–2～-0.6 V）。所组装的aHPC@PANI//Et 4NBF4-AN//aHPC@PDAA有机非对称超级电容器呈现宽的电位窗口（2.8 V）,高的能量密度（65 W·h/kg,1.38 kW/kg,基于aHPC@PANI和aHPC@PDAA总质量）及优异的循环稳定性（循环5000次后其容量保持率高达90.2%）。     

Double metal MOF-based composite structure and performance as supercapacitor electrode

超级电容器作为一种新型储能原件,具有功率密度高和可快速充放电等优点。本文通过溶剂热法制备了铁锰双金属有机框架材料（FeMn-MOF）,并将其作为前驱体,经过高温热处理后,得到碳和金属氧化物的复合结构材料（C-MOF）。采用傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪和场发射扫描电子显微镜对制备得到的材料进行了结构表征,将高温处理后的材料作为电极材料应用于超级电容器,并对其进行了一系列的化学测试。当电流密度为0.5 A/g时,C-MOF基超级电容器的比容量最高可达388.9 F/g,C-MOF基超级电容器的比容量最高可达388.9 F/g。在2 A/g的电流密度下循环5000次后,比容量为初始值的201.5%,说明在循环的过程中C-MOF电极不仅具有良好的循环稳定性,还存在一个活化过程使其比容量增加。这将极大地提高MOF基复合结构材料作为超级电容器电极材料的应用价值,同时也为双金属MOF材料的研究与应用提供了新的思路。     

二氧化锰@纳米多孔金/泡沫镍电极材料的制备及其超级电容性能CSCD

通过结合电化学沉积法与化学去合金法制备纳米多孔金(NPG)/泡沫镍(Ni foam)电极,采用电化学沉积法把二氧化锰(MnO2)沉积在NPG/Nifoam基底表面,获得MnO2@NPG/Ni foam复合电极材料.采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等分析了MnO2@NPG/Nifoam复合电极材料的微观形貌和成分.将该复合电极材料作为超级电容器的电极材料,对其充放电特性和循环稳定性等电化学性能进行测试.结果表明,与直接在Ni foam表面电化学沉积生长MnO2材料(MnO2@Ni foam)相比,MnO2@NPG/Ni foam复合电极材料拥有更高的比电容、更优的倍率性能及循环性能.在1 A/g的电流密度下,MnO2@NPG/Ni foam复合电极材料的比电容值为377.9 F/g.经过在50 mV/s的扫描速度下循环2500次后,该电极材料的比容量保持在99％左右.     

Effect of the pre-lithiation capacity of mesocarbon microbeads anode on the performances of a flexible packaging lithium ion capacitors#br#

以活性炭作为正极,预嵌锂的中间相炭微球为负极,制成软包装锂离子电容器。在正负极活性材料质量比为1∶1的条件下,采用恒压嵌锂法对负极进行预嵌锂,嵌锂容量分别为100 mA•h/g、200 mA•h/g、300 mA•h/g。在2～4 V的电压区间内,对软包装器件进行倍率测试及高倍率下的寿命测试。测试结果显示,锂离子电容器单体电容量为4～5 F,预嵌锂容量为200 mA•h/g时电容器展现出最佳的电化学性能,首次充放电能量密度为83.7 W•h/kg（基于正负极活性质量）,在倍率为120 C时,功率密度达8835.4 W/kg,能量密度保持在40.3 W•h/kg。在20 C的倍率下进行充放电寿命测试,500次循环之后,能量密度保持91.6%,1000次循环之后,能量密度保持86.5%。     

非对称超级电容器负极材料研究进展

超级电容器作为一种新型储能器件受到了全球的广泛关注,其中非对称超级电容器比对称超级电容器具有更大的能量密度。然而近年来,研究的重点主要集中于非对称超级电容器的正极材料,相比而言,其负极材料的发展较为缓慢,影响了整个非对称超级电容器器件的性能发挥。本文介绍了近年来非对称超级电容器负极材料的研究进展,主要分为碳材料电极、金属氧化物电极、金属氮化物电极以及金属硫化物电极。我们也对基于这些负极材料组装的非对称超级电容器器件进行了介绍。最后,我们提出了非对称超级电容器未来的发展趋势以及所面临的挑战。     

Effect of conductive additives on electrochemical performance of Li4Ti5O12 in hybrid capacitor

将添加不同导电剂的钛酸锂负极与活性炭正极组装成混合电容器,研究了不同导电剂对混合电容器性能的影响。利用扫描电子显微镜表征了钛酸锂负极的表面形貌,采用LAND测试仪、电化学工作站对混合电容器的电化学性能进行测试分析,最终确定最佳的导电剂类型。实验表明,以super-P/VGCF为导电剂的混合电容器具有最佳的电化学特性,在0.1 A/g条件下,电容器的比容量达到45.4 F/g,在2 A/g时容量保持率为91.5%;在0.5 A/g条件下,经过10000次循环后,容量保持率为93.2%。     

Electrochemical performance of lithium ion capacitors using high-capacitance Li2NiO2/AC as the negative electrode

兼具锂离子电池高能量密度和双电层电容器高功率特性的锂离子电容器成为了现今超级电容器性能提升的重点发展方向。本工作以高富锂金属氧化物Li2NiO2为锂离子电容器用负极锂源,将其与活性物复合组成正极电极,并制备出“无金属锂片”预嵌锂过程的300 F锂离子电容器,考察了金属氧化物Li2NiO2的理化性能与电化学特性、不同Li2NiO2添加量对锂离子电容器样品的电化学性能影响。结果表明,Li2NiO2材料具有398 mA·h/g的首次不可逆容量,首次放电不可逆率为94.8%。添加15%～20% Li2NiO2的样品在10 A电流下具有大于75%倍率特性以及91%的容量保持率。当Li2NiO2添加量为20%时,样品在1 A条件下具有400 F的容量,15.5 W·h/kg的能量密度以及11.3 kW/kg的功率密度,是一种制备工艺简单、性能优异的新型锂离子电容器。     

马尾藻基超级活性炭的电化学性能研究

选取马尾藻作为前驱体制备超级电容器电极材料,使用氢氧化钾活化法,探究活化温度、活化时间、浸渍比对电化学性能的影响。其中SAC-800-120-4的比表面积可超过2 400 m²/g,介孔率为56%。采用二电极测试装置,以6 mol/L的KOH溶液作为电解液,在1 A/g的电流密度下,SAC-800-120-4的质量比电容达到了290 F/g,在5 A/g的电流密度下质量比电容为257 F/g,电容保持率为89%,具有优良的倍率性能。在1 A/g的电流密度下,SAC-800-120-4的能量密度为36.62 W∙h/kg,功率密度为604.78 W/kg。     

龙须藻基多孔炭在超级电容器中的应用研究

文章以龙须藻为前体,以KOH为活化剂,通过物理炭化和化学活化的方法制备了一种龙须藻基多孔炭,通过正交实验的方法确定了龙须藻基多孔炭的最佳制备条件,并研究了龙须藻基多孔炭的表面结构特性和其作为超级电容器电极材料的电化学性能。研究结果表明:龙须藻基多孔炭的最佳制备条件为浸渍比为3,炭化温度为700℃,炭化时间为90 min,活化温度为750℃,活化时间为90 min,在此条件下,龙须藻基多孔炭的比表面积为2 269.9 m~2/g,孔体积为1.36 cm~3/g;龙须藻基多孔炭的孔径分布均匀,富含中孔、微孔以及石墨微晶结构;以LXZ-17作为超级电容器的电极,当电流密度为0.5 A/g时,超级电容器的比电容为325 F/g,即使在10A/g的高电流密度下,超级电容器的比电容保持率仍高达82%;在2 A/g的电流密度下,经过1 500次循环充放电后,以LXZ-17为电极的超级电容器的比电容保持率为91%。     

电极结构对(NCM+AC)/HC混合型电容器电性能的影响北大核心CSCD

混合型电容器是一种介于锂二次电池和超级电容器之间的一种新型储能器件,在电化学储能领域有非常广泛的应用。混合型电容器的电极材料包括锂二次电池电极材料和超级电容器电极材料,在混合电容器内部形成“交叉结构”。本工作分别采用干法和湿法工艺制备出(NCM+AC)混合型正极片和硬碳负极片,并装配成064060软包混合型电容器。本工作系统分析了两种电极结构的特点及其对软包混合型电容器性能的影响。实验结果表明,干法电极内部含有丰富的PTFE纤维结构,原材料颗粒之间接触更为紧密。在相同厚度下,干法电极的活性物质负载量更大,电极体积密度大、欧姆电阻及极化电阻均较小。在相同体积的软包产品内,干法电极产品的容量、能量密度较湿法电极产品均提高20%以上。在正负极面密度比及N/P放电容量比均相同的条件下,干法电极产品在高低温性能、循环性能、倍率性能及高温负荷性能方面均优于湿法电极产品。干法电极制备工艺不使用任何溶剂,绿色环保,节省成本,PTFE纤维可以牢固地兜住NCM和AC,有助于在混合型电容器电极制备中推广应用。     

Study on preparation and electrochemical properties of biomass-derived spherical activated carbon

以生物质风化煤系腐殖酸（LHA）为炭质前驱体,通过溶剂蒸发和KOH活化方法制备了球形活性炭。使用扫描电子显微镜（SEM）、N2物理吸脱附仪等手段对球形活性炭形貌和孔道结构进行了表征;还将活性炭组装成扣式电容器,进行了充放电容量、循环伏安特性和交流阻抗行为等电化学性能测试。结果表明：所制备的球形活性炭具有良好的球形度,通过少量碱活化后球形活性炭BET表面积为2034 m2/g、总孔容为1.24 cm3/g、平均孔径为2.38 nm。同时,以球形活性炭作为电极材料应用于水系超级电容器后显示了优异的电化学性能,比电容可达到319 F/g,在进行10000次充放电后,比电容保持率为98.9%。此外,球形活性炭相比于颗粒活性炭具有更好的导电性,也展现了更加优异的倍率性能和循环性能。因此说明LHA基球形活性炭是一种有潜在优势的超级电容器材料。     

FeSe_(2)-C三维导电复合材料的制备及其电化学性能北大核心CSCD

过渡金属硒化物因为具有更窄的带隙和线宽、更高的导电性、更大的层间距、更低的成本以及更高的理论容量等优势,在电极材料领域受到了广泛关注。本研究为着重解决FeSe_(2)电极材料可逆容量低和循环稳定性差等问题,设计了在FeSe_(2)阳极中掺杂膨胀石墨,形成由互相穿插、堆叠的膨胀石墨片组成的三维导电网络结构,以膨胀石墨为碳源,采用简单有效的溶剂热法制备出FeSe_(2)-C负极材料。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、N2吸附法等表征手段,对样品的晶体结构组成、微观结构形貌进行了解析。同时,采用了恒流充放电(GCPL)、循环伏安(CV)以及交流阻抗(EIS)等电化学测试方法,研究了膨胀石墨的掺杂对FeSe_(2)电化学性能的影响。结果表明,FeSe_(2)-C电极呈现出层级结构且储锂能力良好,具有优异的电化学性能和循环稳定性。在0.1 A/g的电流密度下首次放电比容量高达720.5 mAh/g,充电比容量512.3 mAh/g、首次库仑效率71.1%。在5 A/g的电流密度下经过1000次循环后容量仍有339.1 mAh/g,是纯FeSe_(2)电极材料经历相同次数循环后的8.5倍。利用膨胀石墨构筑三维导电网络的技术方法,可以有效改善FeSe_(2)的电化学性能。     

Synthesis and lithium storage property of high-performance N-doped reduced graphene oxide

石墨烯是一种具有高比表面积、高导电性和良好化学稳定性的新型二维碳材料,在电化学储能领域具有广阔的应用前景。氮原子掺杂可以制造结构缺陷并改变电荷分布,有利于增强其电化学储能性能。本工作以尿素为氮源,与氧化石墨烯混合冻干,经过高温热还原制备出氮掺杂石墨烯材料,研究了热还原温度对其化学组成、形貌结构以及电化学储锂性能的影响。研究结果表明,随着热还原温度的升高,材料的氮含量下降,石墨化程度升高,电导率提高。将其作为负极材料组装成锂离子半电池进行测试,样品N-rGO-800在0.05 A/g的电流密度下表现出高达876 mA·h/g的稳定比容量,优于目前文献报道的比容量。在1 A/g的大电流密度下,其依然具有584 mA·h/g的比容量,经过850圈的长循环,容量保持稳定,显示出该材料优异的循环和倍率性能。     

基于天然纤维素物质的C/TiO_(2)/CuMoO_(4)微-纳结构复合纤维材料构筑及其电化学性能北大核心CSCD

锂离子电池作为目前常见的储能器件,具有能量密度高、功率密度大、价格低廉、绿色环保等特点,已经得到广泛应用。目前发展非石墨基负极材料以提升电池性能的需求日益迫切,钼酸铜由于理论比容量高、还原电位低,是一种极具潜力的负极材料。本研究工作以天然棉花纤维为结构支架和碳源构建了一种具有微-纳结构的C/TiO_(2)/CuMoO_(4)复合纤维材料,解决了钼酸铜作为电极材料时导电性差和易粉碎的问题,表现出优异的电化学性能。首先对棉花纤维进行酸碱预处理提高其比表面积;然后通过溶胶-凝胶法在纤维表面沉积超薄二氧化钛层;再利用层层自组装(LbL)技术沉积钼酸铜层;最后在氩气氛围中于500℃煅烧6h得到微-纳结构的C/TiO_(2)/CuMoO_(4)复合纤维材料。当用作电极材料时,在100mA/g的电流密度下,钼酸铜质量分数为22.8%的复合材料首圈放/充电比容量分别为1212mAh/g和675mAh/g,库仑效率为55.7%,经过200圈循环后,其比容量为403mAh/g,保持率为59.7%,具有良好的循环性能和倍率性能。这种微-纳结构提高了复合材料的导电性和稳定性,从而增强了其电化学性能。