高性能锂离子电容器正极材料石墨烯-介孔炭复合物的制备及性能分析

【目的】设计同时具有高质量活性和高体积活性的锂离子电容器(lithium-ion capacitor,LIC)复合正极材料。【方法】借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜、康塔全自动比表面和孔径分析仪、四探针测试仪,通过实验分析了颗粒之间的微观形貌、堆叠方式、接触模式和界面特性对复合电极的电导率、电学性质的影响规律。【结果】将介孔活性炭(mesoporous activated carbon,MC)与单分散石墨烯/单壁碳纳米管杂化物(graphene/single-walled carbon nanotube hybrid,GNH)混合,紧密压缩制成锂离子电容器正极材料。GNH均匀地包裹在MC颗粒表面,与MC面对面接触,增大接触面积;而且GNH在MC颗粒之间形成均匀的三维导电网络,提供了快速的电子传导。另外,GNH具有开放结构,会优先吸附电解液离子,与MC界面间存在浓度梯度;同时,GNH具有较高的导电性,与导电性较差的MC界面间存在接触电势差效应。两者共同促使GNH和MC界面之间形成快速的离子和电子双传输路径,促进离子在MC内部的扩散,从而避免了高电流密度下因离子扩散缓慢而造成的容量损失。【结论】添加5%GNH提高了倍率性能,并且在不牺牲堆积密度的前提下同时提高质量和体积能量密度。

离子液体型双电层电容器在45℃和3 V状态下的长周期运行研究

对覆炭泡沫铝基介孔炭-离子液体双电层电容器在45℃、3 V状态下的长周期运行规律进行了研究。采用覆炭泡沫铝集流体嵌入介孔活性炭形成复合极片,以EMIBF4离子液体为电解液,组成3 cm×5 cm软包,在45℃、3 V状态下研究了长达1500 h充放电的运行规律。结果发现,内阻变化率在10%左右,电容保持率高达98%,远优于有机液体型双电层电容器在2.7 V、65℃状态下的内阻与电容保持效果。还对比了离子液体型双电层电容器在2.7 V、65℃与3 V、45℃下的产气规律,结果表明,介孔炭-离子液体-覆炭泡沫铝型双电层电容器软包可以在3 V、45℃、1500 h条件下稳定工作。研究结果为进一步推进离子液体型双电层电容器的应用提供了坚实基础。

石墨烯在锂离子电池和超级电容器中的应用展望

由于独特的结构和优异的性质,石墨烯在锂离子电池和超级电容器领域展现出潜在的应用前景,受到了科学界和产业界的广泛关注,涌现出大量的研究工作。就石墨烯在储能领域的应用进行了分析、同时对未来发展趋势进行了预判,以期加强对石墨烯结构-性能关系的理解。首先就石墨烯在锂离子电池的正极和负极中的应用,以及石墨烯在双电层电容器和赝电容电容器中的应用进行了介绍,其次,针对石墨烯应用于双电层电容器中存在的挑战进行了论述,同时针对性地提出了应用于双电层电容器的石墨烯结构。最后,提出了实现石墨烯基双电层电容器的商业化应用的"三步走路线"。

碳纳米管聚团弹性体的结构调变

为得到更加密实的碳纳米管聚团弹性体，使之成作为一种能量吸收材料，在化学气相沉积制备碳纳米管过程中，提出通水提高Co～Mo—Al2O3催化剂裂解乙烯的活性，以便在短时间内促进碳纳米管快速生长的方法，可将碳纳米管聚团密度由40-65kg／m^3提高至120～140kg／m^3。结果表明，所得碳纳米管聚团结构具有明显的二级聚团孔结构分布特征，二级聚团压缩响应特征，并具有明显的高密度压缩体的优点，能够在较小的体积吸收更多能量。

水促进Co／Mo／Al2O3催化剂上碳纳米管的生长

对水促进Co/Mo/Al_2O_3催化剂裂解乙烯生长碳纳米管(CNTs)的研究发现,通入体积分数((?))为0.6%的水蒸汽在1h内可将CNTs的生长倍率从3.7 g·g^(-1)提高至70 g·g^(-1).水的作用在于恢复被无定形碳包覆的催化剂颗粒的活性,水的加入量由于其积碳(促进固体碳生成)和消碳(去除固体碳)的竞争作用存在最佳值,不同反应时间下乙烯的转化率与有效催化剂含量的分析表明,在CNTs生长后期,水的催化促进作用减弱.将催化剂的相对性与CNT聚团的相对密度关联发现,反应后期的CNTs主要在聚团内部缠绕生长,催化剂被包覆失活,拉曼测试与差热热重分析表明,生长阻力导致所得CNTs缺陷增多,CNT聚团密度变化与CNT缺陷间存在对应关系.聚团内外CNTs的生长阻力不同,生长倍率不同,导致产品纯度不均匀.

电池型电容器技术发展趋势展望

发展可再生能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的最重要保障之一。然而,太阳能、风能等新能源出力的不稳定性对储能器件的能量特性和功率特性都提出了更高要求。首先,对传统锂离子电池和超级电容器的技术特征进行论述,提出在新的电网储能要求下发展电池型电容器技术的必要性。然后,从正极材料的改进、负极材料的改进,以及极片结构、集流体与极耳的革新3个方面,详细讨论了电池型电容器关键材料的技术发展方向。最后,提出储能器件的三大核心要素及其“二合一”或“三合一”效应的搭配,以满足对成本、安全性、功率特性和能量特性的多样化需求,并对电池型电容器的发展趋势进行了展望。

多段流化床强化甲醇或烷烃芳构化研究进展

针对甲醇芳构化过程中,金属-分子筛催化剂上ZSM-5的择型效应对C2~C5烃不起作用,导致不易转化的烷烃副产物大量生成,单程芳烃收率下降的现状,综述了甲醇芳构化与烷烃芳构化的催化机制与过程特性、多段流化床的结构及其应用,以及多段变温流化床在甲醇芳构化与烷烃芳构化过程的研究进展。在流化床不同的轴向位置,根据起始原料与中间产物的活性,可以采用不同的温度来促进甲醇与烷烃中间体的转化。该技术可有效提高单程芳烃收率,降低后续分离成本和能耗。同时,其中涉及的烷烃芳构化也可能发展成独立的技术,具有广阔的前景。

离子液体型超级电容器软包高温老化性能评测研究

构筑了介孔炭,离子液体(EMIMBF_(4))与泡沫铝极片结构的超级电容器软包(容量为40 F),评测了其在2.7 V,65℃,1500 h老化实验中的性能。利用恒流充放电、恒流-恒压充放电模式评测,该电容器经过连续1500 h的高温处理后电容值衰减约10%,内阻增加比例低于40%。与传统的乙腈基电解液软包对比,虽然乙腈基软包起始内阻低,但产气多,且高温循环条件下容量衰减比例和内阻增加比例均劣于离子液体基电解液。上述对比说明,离子液体基电解液在泡沫铝三维导电导热结构的配合下,具有了良好的长周期循环性能。同时,由于其无毒性,可以用于封闭的楼宇空间或其他场所,提供本质安全性。

基于离子液体的超级电容在3 V及65℃老化条件下的铝碳界面效应

相比于传统乙腈电解液体系的超级电容器,离子液体基超级电容器具有工作窗口电压高,能量密度大,不可燃等优点,适用于碳中和时代清洁但不稳定电力领域的大规模储能。然而,目前的工作主要集中在对纽扣型离子液体-超级电容器的研究上,有关软包式离子液体-超级电容器的长循环寿命评测的报道较少。构建可靠的超级电容器用于长时间测试或在高温下开展加速老化测试,应考虑集流体/电极界面的良好接触,以最小化电荷转移电阻。本文以包覆不同碳层的泡沫铝为集流体,研究了超级电容器新系统中的碳-铝界面效应。通过环氧树脂薄膜碳化得到的均匀无定形碳层,相比通过PVDF粘附石墨烯碳层,赋予了铝相和碳相更强的相互作用。此外,为了充分挖掘大离子尺寸的离子液体电解液的潜力,本文采用介孔碳电极实现离子在介孔间的快速扩散。因此,本工作首次制备了由介孔碳电极、离子液体电解液和覆碳三维泡沫铝集流体组成的新结构软包式超级电容器。以自制的容量为37 F的不同软包式超级电容器件,通过3 V、65℃、500 h加速老化试验,研究了其时间依赖性的电化学性能,包括CV测试、恒流充放电测试、电容值、接触电阻、电化学阻抗谱等。相比石墨烯包覆的泡沫铝基器件,无定形碳层包覆的泡沫铝基器件表现出更高的电容保持率。此外,我们还对ESR进行了等效电路拟合,并深入分析了接触电阻、电荷转移电阻、韦伯电阻,研究了C-Al界面对高能量密度超级电容器的高性能和稳定性的影响。500小时老化测试前后的极片表征证实了上述结果。高温、高压条件使粘附石墨烯碳层的泡沫铝界面结构不可靠。而泡沫铝表面原位包覆的碳层在老化过程中表现出较强的相互作用和稳定的结构。这些坚实的数据为面向高能量密度、高功率密度和长循环寿命,进一步优化高窗口电压超级电容器提供了充足的信息。

聚乙烯-碳纳米管串晶的高效制备(英文)

We report a novel method to prepare nanohybrid shish-kebab (NHSK) structure of polyethylene (PE) and carbon nanotube (CNT). Pristine CNTs without surface modification with high concentration was effectively dispersed in xylene solution by a simple shearing method, which induces the quick crystallization of PE in xylene to form a novel NHSK structure with more dense and smaller PE kebab on CNT axis. The flocculated NHSK product was transferred quickly from the xylene solution to the ethanol solution, in order to shorten the preparation time. The freeze-drying method was used in vacuum instead of high-temperature drying to avoid the aggregation of NHSK product. These improvements allow the formation of NHSK with an absolute yield of 200 mg·h-1 , which is 2000 folds of that reported previously. It is favorable to apply this structured material in high performance nanocomposite, by improving the compatibility of CNTs in polymer and the interfacial force between CNTs and polymer.

超级电容器百篇论文点评(2015.8.1—2015.10.31)

该文是一篇近三个月的超级电容器文献评述,我们以"supercapacitor"为关键词检索了Web of Science从2015年8月1日至2015年10月31日上线的超级电容器研究论文,共有463篇,选取了其中100篇加以评论。双电层超级电容器主要研究了新型多孔碳材料、碳纳米管材料、石墨烯材料可控制备对其性能的影响。赝电容超级电容器的研究主要集中在过渡金属氧化物复合材料、导电聚合物复合材料和杂质原子掺杂碳材料等三个方面。非对称超级电容器包括水系非对称超级电容器和有机系非对称超级电容器两个方面的研究。除了上述以材料为主的研究之外,电解液是另一个研究重点,有多篇研究论文报道。