聚乙烯醇基凝胶聚合物电解质的制备及在锌离子混合电容器中的应用

锌离子混合电容器(ZIHC)兼有电池高能量密度和电容器高功率密度的特点,是下一代能源存储设备的有力竞争者,但电池型阴极-电容型阳极ZIHC的研究中使用的多为电解质溶液,容易泄漏而导致安全风险。针对这一问题,文中以纤维素、羟乙基纤维素和聚乙烯醇为原料,通过冷冻-解冻和电解液吸收的方法,快速制备了具有蜂巢状的三维网络形貌的凝胶聚合物电解质(GPE)。优化的GPE不仅具有良好力学性能(拉伸强度0.24 MPa、断裂伸长率289%),而且表现出较高的离子电导率(58.5 mS/cm)。使用GPE、二氧化锰阴极和活性炭阳极组成的ZIHC,其比电容和能量密度分别为31.5 F/g和15.0 Wh/kg,2 A/g充放电循环1.5×104次后比电容保持率约80%,展示出GPE在ZIHC领域中潜在的应用价值。原料环保和方便快捷的制备方法为能量存储和柔性可穿戴电子领域应用的GPE研究提供了新的思路。

高载量钴离子掺杂MnO_(2)用于高性能锌离子混合电容器

通过恒流电沉积的方法在柔性碳布上制备了钴离子掺杂的MnO_(2),其负载量达到13.8 mg/cm^(2)。利用X射线衍射仪(X-ray diffractometer,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectrometer,XPS)和电化学工作站等对材料的结构和性能进行表征,探究了钴离子掺杂对MnO_(2)电化学性能的影响。结果表明,当该电极与活性炭组装成液态锌离子混合电容器(zinc ion hybrid capacitors,Zn-HCs)时,Zn-HCs在2 mA/cm^(2)的电流密度下,面积比电容高达5883.0 mF/cm^(2),面积能量密度为3154.9μWh/cm^(2),与锌离子电池的能量水平相当。当该电极与活性炭组装成准固态柔性Zn-HCs时,Zn-HCs具有较好能量密度(在1 mW/cm^(2)的功率密度下达1351.1μWh/cm^(2))的同时具有优异的机械柔韧性,使Zn-HCs有望应用于新一代的柔性可穿戴设备。

ZIF-8-PAN衍生多孔碳纳米纤维锌离子混合电容器

采用静电纺丝技术制备ZIF-8-PAN复合纳米纤维,经预氧化和高温碳化制得ZIF-8-PAN衍生多孔碳纳米纤维(ZIF-8-PANC);利用扫描电镜、比表面及孔径分析技术对ZIF-8-PANC的形貌和微结构进行表征,测试作为锌离子混合电容器(ZHS)电极材料的电化学性能。结果表明:ZIF-8-PANC结合碳纳米纤维的高导电性和ZIF-8衍生碳的丰富多孔结构,不仅导电性能良好,同时增大比表面积,得到分级多孔结构,ZIF-8-PANC可有效实现电子、离子的快速传输和锌离子的高容量储存;当电流密度为0.5 A·g^(-1)时,ZIF-8-PANC电极的比容量达到240 mAh·g^(-1),循环稳定性优异。

生物质衍生氮掺杂蜂窝状分级多孔碳用于高性能水系锌离子混合电容器

水系锌离子混合电容器(ZHCs)因其低成本、高安全性、优异的倍率性能以及超长的循环寿命引起了广泛的关注。以生物质鲜姜纤维作为前驱体,在碳酸氢钾和尿素的协同作用下,采用一步法合成了氮掺杂的蜂窝状多孔炭。所获得的多孔炭材料具有2 553.2 m^(2)·g^(-1)的高比表面积和3.86%的氮掺杂量。这种独特的蜂窝状结构可使ZHCs(N-HHPC-1//Zn)在0.1 A·g^(-1)的电流密度下获得了148.8 mAh·g^(-1)的高比容量,并在30 A·g^(-1)的电流密度下获得53.6%的容量保持率。该策略可以为制备氮掺杂的生物质衍生多孔炭用于ZHCs提供新的思路。

基于三维多孔活性炭构筑安全、高性能以及长循环寿命的锌离子混合电容器

可充电水系锌离子电池因成本低、环境友好等优点,已经成为目前电化学储能领域的研究热点之一。然而锌离子电池中高容量、长循环寿命的阴极材料的开发仍然是一大难题。为了解决这一问题,本文中通过直接利用锌片做阳极和集流体,采用高比表面积的三维多孔活性炭(3DAC)做阴极构筑了一种锌离子混合电容器(ZIHC)。该ZIHC器件表现出了优异的电化学性能,具有目前文献报道的ZIHC最高的213 mAh·g-1比容量,展示出164Wh·kg-1的高能量密度和9.3kW·kg-1的高功率密度以及优异的循环稳定性(10 A·g-1下循环20000圈之后,容量保持率为90%,库伦效率接近100%)。我们认为这种采用高比表、三维多孔活性炭(3DAC)做阴极构筑的安全、高性能以及长寿命的水系锌离子混合电容器将为下一代高性能储能器件的开发提供新的研究思路。

MXene基纳米材料在高性能水系锌离子混合电容器中的研究进展

水系锌离子混合电容器(ZHCs)具有本征安全、低成本的优点,在大规模储能领域中具有广阔的应用前景。然而,传统的多孔炭正极具有不理想的孔结构,难以实现有效的锌离子的存储和扩散,此外锌箔负易遭受枝晶和副反应,因此传统ZHCs常表现出较低的能量密度和较短的循环寿命,严重制约其实际应用。二维过渡金属碳/氮化物(MXene)具有高导电基体和丰富表面官能团,为构筑ZHCs用高容量正极和长循环锌负极提供了新机遇。本文系统总结了高性能ZHCs用MXene基纳米材料的最新进展,先简要介绍了ZHCs的基础知识如工作原理和关键电化学参数,随后详细阐述了高性能ZHCs用MXene基正极(纯MXene、插层MXene、掺杂MXene、MXene基杂化材料(MXene/金属硫化物、MXene/炭、MXene/聚合物))和负极的研究进展,最后简要讨论了MXene基纳米材料在下一代ZHCs应用中的挑战和展望。

五氧化二铌/碳纳米管水系锌离子混合电容器负极材料的制备及其电化学性能

水系锌离子混合电容器具有高能量密度和高功率密度等优点,受到了广泛的关注。开发高性能锌离子电容器的关键在于寻找电池型电极材料,以匹配其与电容型电极材料之间的功率不平衡。通过水热法制备出了碳纳米管与五氧化二铌的复合物(Nb_(2)O_(5)@CNTs),在0.2 A/g的电流密度下放电比容量为257 F/g,显示出其作为锌离子混合电容器电极材料的巨大潜力。将Nb_(2)O_(5)@CNTs作为负极、高比表面积的活性炭(AC)作为正极组装成Nb_(2)O_(5)@CNTs//AC锌离子混合电容器,该电容器的电压区间为0~1.9 V,在0.2 A/g的电流密度下其放电比容量高达95 F/g,经过3000次循环后容量保持率为72%,具有良好的倍率性能和循环稳定性,能量密度最高达48 Wh/kg,功率密度最高达1831 W/kg,Nb_(2)O_(5)@CNTs//AC锌离子混合电容器有望作为下一代高性能锌离子混合电容器。

烯碳材料用于锌离子混合电容器的研究进展

随着可穿戴电子设备的出现,诸如锌离子混合电容器等绿色储能器件,因其具有安全性高、稳定性好、成本低、功率密度高、能量密度大的特点,从而受到了广泛的关注。对于锌离子混合电容器,烯碳材料(主要包括石墨烯和碳纳米管)由于其卓越的导电性和良好的机械稳定性,被认为是一种十分有前景的材料。在此,作者对用于锌离子混合电容器的烯碳基材料的改性策略进行了全面的综述,并对锌离子混合电容器的储能机理、锌阳极和电解液进行了简要总结。最后,还对锌离子混合电容器的未来研究方向进行了展望。

基于含锂电解液的高性能锌离子混合电容器

以煤沥青衍生的多孔碳作为正极材料组装了高性能锌离子混合电容器。该碳正极材料的多级孔结构有利于电解液快速扩散,同时丰富的氮氧元素掺杂为锂离子和锌离子的化学吸脱附提供了反应位点,进而贡献了额外的赝电容容量。更重要的是,通过添加硫酸锂优化电解液,改善了锌电极沉积和溶解过程的可逆性和稳定性,并加快了反应过程中的离子扩散速度,从而提升了器件的倍率性能和循环稳定性。

锌离子混合超级电容器电极材料研究进展

锌离子混合超级电容器兼具了锌离子电池的高能量密度与超级电容器的高功率密度和高循环稳定性的优点,在便携式电子设备和电动汽车领域具有极高的应用前景。本文介绍了锌离子混合超级电容器的工作原理,全面系统梳理了碳材料(活性炭、多孔碳、碳纳米管、石墨烯、生物质衍生碳和MOFs/COFs衍生碳)和赝电容材料(二氧化钌和MXene基材料)等电容型电极材料的储锌能力,归纳了金属锌、锰基氧化物和钒基氧化物等电池型电极材料的研究进展,指出高性能锌离子混合超级电容器电极材料目前所面临的挑战及未来的发展方向。

MOF衍生的NC-Co复合碳纳米管用于锌离子混合电容器

通过简单的热解过程将金属有机框架(MOF)材料转化为氮掺杂的碳材料,引起了人们对其储能应用的日益关注。本文通过水热法和退火工艺制备了MOF衍生的氮掺杂多孔碳复合碳纳米管的复合电极材料,将其作为锌离子混合电容器的正极。所制备的NC-Co/CNTs具有三维多孔结构和高比表面积(315m^(2)g^(-1)),有助于促进电荷的转移和电解质的渗透。此外,由于氮元素的存在为碳基体提供了更多的电荷存储活性位点,有利于增强对Zn2+的化学吸附。基于此,锌离子混合电容器表现出112.5F/g^(-1)的高比电容,高能量密度(功率密度为350W/kg时为30.63Wh/kg^(-1)),以及在0.5A/g^(-1)的电流密度下进行5000次循环充放电后,电容保持率仍为83%的出色循环稳定性,表明Co-NC/CNTs是锌离子混合电容器应用中非常有前途的电极材料。

氮氧共掺杂多孔炭的制备及其锌离子混合超级电容器性能研究

本研究以价格低廉、来源广泛的煤沥青作为炭前驱体、尿素作为氮源和模板、氢氧化钠作为活化剂,通过结合模板法与化学活化法成功制备了具有纳米片状结构的氮氧共掺杂的多孔炭材料。多孔炭电极在0.05 A/g时最大比容量高达255.5 mA·h/g,在电流密度为1 A/g时,放电比容量达到78 mA·h/g。经过12000次循环,容量保持率仍有72.4%,并且能量密度最高达到99.6 W·h/kg,展现出作为正极材料的巨大潜力。以煤沥青为原料制备的氮氧共掺杂多孔炭材料作为锌离子混合超级电容器的正极材料表现出了优异的电化学性能。

碳基锌离子电容器正负极间距对其电化学性能的影响

本研究通过增加隔膜层数来增加正负极的间距以提高锌离子混合超级电容器(ZIC)的循环寿命,并计算出相应的枝晶生长速率。结果表明,四层隔膜的ZIC在1 A·g^(-1)的电流密度下,循环寿命可达20000圈,充放电时长达170 h,是单层隔膜的200倍。正负极间距会导致ZIC的比容量变化。当电流密度为0.1 A·g^(-1)时,单层隔膜,双层隔膜,三层隔膜,四层隔膜的比电容分别为262,230,218和207 F·g^(-1)。当电流密度为10 A·g^(-1)时,不同层数隔膜的比电容分别为90,75,68和42 F·g^(-1)。由于正负极间距的增加,延缓了锌枝晶生长刺穿隔膜的时间,从而大大提高了ZIC的循环寿命。

P掺杂Co_(9)S_(8)@VS_(2)纳米管阵列的制备及其水性锌离子混合超级电容器性能研究

近年来,二硫化钒(VS_(2))作为一种具有二维层状结构的高表面活性的过渡金属硫化物而广泛地应用在锌离子电池(ZIBs)正极材料中。然而,VS_(2)的生长堆叠问题和低能量密度严重阻碍了其在储能设备中的应用。通过在Co_(9)S_(8)纳米管阵列(NTAs)表面包覆生长P掺杂VS_(2)纳米片的方式构建一种具有核壳异质结构的Co_(9)S_(8)@P-VS_(2) NTAs,从而有效地避免了大块VS_(2)纳米片的堆积生长,使得层状VS_(2)被分散包覆在纳米管的表面;而且P掺杂增强了Co_(9)S_(8)纳米管与VS_(2)纳米之间异质结的导电性,提升了其比容量,进而提高了能量密度。因此,得益于纳米核壳结构与P掺杂改性的协同作用,制备的Co_(9)S_(8)@P-VS_(2) NTAs在作为电容型正极与电池型锌负极组装成新型的锌离子混合超级电容器(ZHSCs)后获得了优异的电化学储能性能。前驱液中的磷源加入量为30μL/35 mL,2 mol/L ZnSO_(4)水系电解质中,Co_(9)S_(8)@P-VS_(2) NTAs(Co_(9)S_(8)@P-VS_(2)-30 NTAs)获得了一个高达6.72 F/cm^(2)的超高面积比电容(电流密度:2 mA/cm^(2)),远高于Co_(9)S_(8)@VS_(2) NTAs(2.98 F/cm^(2));在1.6 W/cm^(2)的功率密度下,其能量密度可以达到2.39 mWh/cm^(2);并且在1000个循环充放电后,其面积比容量仍能保持为初始比电容的74.26%,具有良好的循环稳定性。

氮磷掺杂生物质介孔炭的合成及其电化学性能

以桉木木质纤维素作原料,六对羧基苯氧基环三磷腈(HCPCP)作为氮磷掺杂剂,NaOH作为共活化剂,采用先炭化后活化制备了木质纤维素基氮磷掺杂介孔炭(NPC)材料,采用SEM、XRD、XPS和拉曼光谱等方法对介孔炭材料进行表征。研究结果表明:活化温度650℃下得到的样品(NPC-650)具有丰富的蜂窝状孔隙结构,平均孔径为5.18 nm,介孔体积比89%。用介孔炭NPC-650作为阴极材料组装成锌离子混合电容器,在0.2 A/g电流密度下比电容为194 F/g,能量密度为87.3(W·h)/kg,功率密度为179.5 W/kg,在10 A/g电流密度下充/放电5000次,电容保持率98.9%。

生物质亲水多孔炭的制备及其储能行为研究

以废弃的一次性竹筷为碳源,经NaOH与Na_(2)SO_(3)混合液预处理后,通过直接热解法并用去离子水洗涤后,制备了竹基多孔炭,并对其表面形貌、比表面积、孔道结构和表面润湿性进行了表征分析。研究结果表明:相比去离子水预处理的竹基多孔炭(PC-H),NaOH和Na_(2)SO_(3)混合液预处理的竹基多孔炭(PC-Na)具有高比表面积(1434 m^(2)/g)、发达的孔道结构(0.69 cm^(3)/g)和较高的亲水性(与水接触角约53.5°)。以制备的竹基多孔炭PC-Na为正极,组装的水系锌离子混合电容器(ZIHSC)在电流密度0.2 A/g时,比电容可达75.6(mA·h)/g;当电流密度增大到50倍时,比电容保持率为52%,表现出优异的倍率性能;能量密度最高可达59.3(W·h)/kg,功率密度最高可达7.6 kW/kg。在电流密度5 A/g下,经过5000次充/放电循环比电容仅衰减2.7%,具有优异的循环稳定性。

氮掺杂纳米碳包覆MnO复合材料的制备与电化学性能

利用静电引力在MnO_(2)纳米线表面吸附盐酸处理的三聚氰胺(H-melamine),H-melamine和MnO_(2)纳米线的质量比分别为1∶1,3∶1,5∶1,然后进行退火以制备氮掺杂纳米碳包覆MnO(MnO@N-C)复合材料,研究了复合材料的物相组成、微观结构和电化学性能。结果表明:退火处理使得MnO_(2)纳米线和包覆在其表面的H-melamine分别转变为MnO及氮掺杂碳材料,得到的MnO@N-C复合材料呈现串珠状形貌;当H-melamine与MnO_(2)纳米线的质量比为3∶1时,复合材料的电化学性能最佳,在1 A·g^(-1)电流密度下表现出1050 F·g^(-1)的超高比电容,并且在3 A·g^(-1)电流密度下经6000次充放电循环后具有75%的容量保持率。以复合材料为正极、活性炭为负极组装的锌离子混合超级电容器的工作电压范围可达0~2.0 V,且表现出72 W·h·kg^(-1)的能量密度;在3 A·g^(-1)的电流密度下经过5000次循环后,超级电容器仍能保持88%的初始比电容。