一个典型超级电容器是由双电极、多孔隔膜和电解液共同组成的。事实上,随着各类超级电容器技术的不断发展,可重点结合不同电极材料的优势以提高装置的性能。其他因素如碳材料的内部电阻、表面官能团的种类和数量、表面润湿性能、边缘效应和循环性能等,都直接影响着SCs的电化学性能。......
2023-10-20
研究NS-CNWs电化学性能
【摘要】：图2.14为NS-CNWs的电化学性能。随后，使用0.1 mol/L的LiClO4为电解质，对三个样品进行两电极体系的电化学测试。从图2.14可以看出NS-CNWs在0～0.8 V电压窗内的不同扫速循环伏安曲线。对称三角形形状的充放电曲线表明NS-CNWs是一种理想的超级电容器电极材料。如图2.14所示，NS-CNWs的恒电流充放电曲线为比较规整的等腰三角形。从CV比较图上可以看出，NS-CNWs具有更大的闭合面积，而N-CNWs次之，S-CNWs则最小。
1）超级电容器电极的制备
（1）将制备出来的样品NS-CNWs、S-CNWs、N-CNWs 烘干备用。
（2）用干净的刀片在同一个样品（如NS-CNWs）薄膜中切成多个尺寸为2.0 mm× 2.0 mm2的小薄膜，用游标卡尺进行精确测量。
（3）将两个电极材料面积相等的电极片中间用多空纤维素基隔膜隔开，按照三明治结构组装，用自制的模具作为外壳将电极片压紧制成超级电容器，如图2.13所示。上下两极材料分别作为超级电容器的正负极与电化学工作站的正负极相连，所用的电解液为水系电解液0.1 mol/L的LiClO4水溶液。其中单个电极的活性材料质量的计算公式如下：
式中，m是单电极活性样品材料的质量；m2是样品经过热处理之后的质量，m1是AAO 模板喷Au后的质量，r是活性材料的半径。
图2.13 纳米线阵列的材料组装成超级电容器
2）超级电容器的电化学测试
所有的电化学测试都是在室温条件下进行的。在上海辰华生产的CHI660D电化学工作站上使用两电极法在0.1 mol/L的LiClO4水溶液电解质中测试NS-CNWs、S-CNWs、N-CNWs的电化学性能。恒电流测试（GCD）的电流密度为0.1～8 A/g，循环伏安测试（CV）的扫描电压速度为10～100 mV/s，交流阻抗的频率为0.1～100 000 Hz。比电容的计算公式如下：
式中，C是活性材料的比电容值（单位为F/g）；I是电流值（单位为A）；m是单电极的活性物质材料质量（单位为g）；Δt是放电时间，即放电过程中电压下降的时间（包含IR的下降）。
能量密度（E）和功率密度（P）的计算公式也能通过恒电流充放电测试来得到：
式中，V是放电电压；t是放电时间。
图2.14为NS-CNWs的电化学性能。随后，使用0.1 mol/L的LiClO4为电解质，对三个样品（NS-CNWs、S-CNWs和N-CNWs）进行两电极体系的电化学测试。从图2.14（a）可以看出NS-CNWs在0～0.8 V电压窗内的不同扫速循环伏安曲线。对于理想的双电层超级电容器而言，其离子传输机制没有受到限制，因此，其电容性能表现在循环伏安曲线上为标准的矩形电压特性，数据如图2.14（a）所示。首先，循环伏安曲线表明了NS-CNWs样品无论在10 mV/s的低扫速还是50 mV/s的高扫速下都有近似矩形的曲线，说明NS-CNWs作为电极材料具有良好的倍率特性。以矩形为主的循环伏安曲线说明样品的主要储能机理还是双电层，其中出现的微弱可逆峰则说明存在氧化还原反应的赝电容，这也有利于整个体系电容的增加。为了进一步评价NS-CNWs样品的电荷存储能力，我们还测试了不同电流密度下NS-CNWs超级电容器的恒电流充放电曲线，工作电位范围为0～0.8 V。对称三角形形状的充放电曲线表明NS-CNWs是一种理想的超级电容器电极材料。如图2.14（b）所示，NS-CNWs的恒电流充放电曲线为比较规整的等腰三角形。充放电电压和时间的线性关系表明材料快速的I-V响应，甚至当电流密度增加到8 A/g时，性能依旧保持良好，这也证明了材料具有低的IR降以及快速的传导电荷特性。通过计算得出其在不同电流密度下的比电容如图2.14（c）所示，NS-CNWs在0.1 A/g电流密度下的比电容高达220 F/g，在所有样品中最高。由于增加电流密度会导致离子或者电子不能及时进入孔道，所以在提高电流密度的同时比电容会出现降低的趋势。尽管如此，即使当电流密度增加到 8 A/g时，其比电容仍然有170 F/g，其比电容量仍保持在约77.3%，这在超级电容器中是一个很优秀的数值。对于N-CNWs 和S-CNWs而言，在0.1 A/g电流密度下的比电容分别为192.5 F/g和126.5 F/g；而当电流密度增加到8 A/g时，其比电容仅分别为47.2 F/g和75.5 F/g，电容的保持率则分别只有24.5%和59.7%。可以明显地观察到 NS-CNWs具有更加优良的比容量和更好的倍率特性，这不仅归功于合适的孔径结构以及恰当的比表面积，而且也归功于杂原子和碳原子间的电子结构变化和相互作用。
图2.14 NS-CNWs的电化学性能
（a）NS-CNWs超级电容器在扫描速度为10 mV·s-1、20 mV·s-1和50 mV·s-1条件下的循环伏安曲线；（b）NS-CNWs超级电容器在不同的电流密度下的恒电流充放电曲线，电流密度分别是0.5 A·g-1、1 A·g-1、2 A ·g-1、3 A·g-1、5 A·g-1和8 A·g-1；（c）当电流密度控制在8 A·g-1时，NS-CNWs超级电容器充放电曲线的前20圈；（d）NS-CNWs超级电容器在电流密度控制在8 A·g-1时的首次充放电曲线和循环4 000次后的曲线图
图2.15为NS-CNWs的电化学性能。为了进一步比较NS-CNWs相对于S-CNWs和N-CNWs在电化学性能上的优越性，分别进行了扫描速度为20 mV/s下的三者循环伏安测试（图2.15（a））以及在电流密度为1 A/g 下的恒电流充放电测试（图2.15（b））。从CV比较图上可以看出，NS-CNWs具有更大的闭合面积，而N-CNWs次之，S-CNWs则最小。根据CV图计算比电容值的方法，面积的大小直接代表着各自的比电容的大小。当然，这也和图2.15（c）中通过恒电流充放电公式得出的结论一致，而从图2.15（b）中则可以看出，在一定的电流密度下，NS-CNWs相比较其他材料具有更长的放电时间，进一步表明NS-CNWs具有更大的电容值，这也和图2.15（a）得出的结论相一致，而NS-CNWs不仅在这三种材料的电容值上有优势，电容倍率性能也是最好的，这个在上文中已经得到验证。这都归功于氮、硫双掺杂的协同效应。研究表明吡咯氮由于其一定的赝电容性质能有效地提高电容值，而且在水溶性的电解质中也能改善碳的润湿性，增强导电离子与材料表面的接触，从而提高材料的电容；而吡啶氮更多的是吸引离子。另外，硫原子能有效地修饰碳材料的表面性能，提供多的活性位点。这也从侧面解释了N-CNWs比S-CNWs具有更高比电容值的原因。
图2.15 NS-CNWs的电化学性能
（a）NS-CNWs、S-CNWs和N-CNWs在扫描速度20 mV·s-1下的循环伏安曲线比较图；（b）NS-CNWs、S-CNWs和N-CNWs在电流密度为1 A·g-1下的恒电流充放电曲线比较图；（c）NS-CNWs、S-CNWs和N-CNWs在不同电流密度下的比电容比较；（d）电流密度在8 A·g-1时，NS-CNWs、S-CNWs和N-CNWs的循环4 000次的电容保持率
循环稳定性是超级电容器电极材料实用性的关键参数，尤其是当有赝电容存在时。图2.14（c）为NS-CNWs在电流密度为8 A·g-1时，NS-CNWs超级电容器充放电曲线的前20圈表现出良好的一致性，并且在循环4 000次后仍然没有明显的电容损失，意味着具有 NS-CNWs良好的循环稳定性。如图2.14（d）所示，NS-CNWs的首次充放电曲线和循环 4 000次后的充放电曲线拟合几乎重合。从图2.15（d）中可以看出，NS-CNWs和S-CNWs经过4 000次的循环充放电之后，在电压窗口0～0.8 V测量的电容保持率仍然保持在103.31%和101.09%。比电容的增加归功于硫掺杂碳的活化过程，经过开始几百圈的循环后，电极上的离子能更加完全地进行插层和去插层，得到更加多的有效活性位点，继而电容值有一定的上涨。N-CNWs的电容保值率下降到50.67%，进一步验证了NS-CNWs和S-CNWs电极展现出来良好的循环稳定性。优良的循环稳定性可能是由表面掺杂的氮和硫官能团造成的，这些官能团牢固地结合了碳原子使其工作时能保持稳定，同时，也可能由于表面氮和硫官能团的法拉第反应是可逆的。
电化学阻抗谱（EIS）是超级电容器必须进行的测试之一，本节采用的是0.1～100 000 Hz的测试条件。从图2.16（a）中的曲线可以看出样品的Niquist曲线主要分为两部分：在高频区域的短弧和在低频区域的直线。众所周知，通过高频区域的短弧的直径可以粗略地计算出活性物质的内阻。通过EIS能够看出NS-CNWs、N-CNWs的内阻都相对较低，基本在18 Ω 左右，S-CNWs的内阻相对较高，达到50 Ω。这说明NS-CNWs和N-CNWs的离子传输能力更好。为了更加完全地了解材料的电化学性质，能量密度和功率密度是两个至关重要的参数。这两个参数完全代表了工业上的意义，即材料储能量的大小和放电功率的大小。如图2.16（b）所示，当功率密度在79.97 W·kg-1时，NS-CNWs 的能量密度为 19.55 Wh·kg-1；在6 344 W·kg-1的高功率密度时，NS-CNWs的能量密度为13.97 Wh·kg-1，均高于同等条件下的N-CNWs 和S-CNWs，同时，也高于文献报道的商业化活性炭材料（能量密度为6.8 Wh·kg-1）以及具有多级孔道结构的石墨烯（能量密度为10 Wh·kg-1）。NS-CNWs 电容器中有能量密度和功率密度如此高的氮元素和硫元素的共同掺杂。不同电负性的杂原子能够帮助离子产生吸附作用以及改善碳基材料的亲水性，能够使电解质离子快速传导。
图2.16 NS-CNWs的电化学性能
（a）NS-CNWs、S-CNWs和N-CNWs的电化学阻抗谱（插图：放大范围为0～100 Ω）；（b）NS-CNWs、S-CNWs和N-CNWs功率密度和能量密度之间的关系
有关一维纳米结构材料制备及其多样化应用的文章
- 详细阅读
-
Ni、Co、Fe基复合材料的电化学性能研究及详细阅读
在这项研究中,5%纳米多孔碳是由聚丙烯酸钠制得并与20%石墨烯复合而成。这项研究体现了孔体积与石墨烯含量对设计SCs电极的重要性,孔体积需要优化至小于0.7nm,引入石墨烯可以提高复合物的导电性从而获得最好的电容性能。......
2023-10-20
-
Ni、Co、Fe基复合材料电极的电化学性能研详细阅读
Co2也是一种SCs高容量的正极材料,由于其层间距大、成本低,其理论比电容值可达3460F/g。免黏结剂的Co2与CNT阵列电极产生高比电容值及优异的倍率性能[197],Graphene/Co2复合物输出的比电容值明显高于纯Co2。截至目前,在以往的报道中Co2及其衍生物表现出高的比电容值,但较低的活性物质负载量和较低的电势范围将很大程度上限制其在SCs中的实际应用。......
2023-10-20
-
Ni、Co、Fe基复合材料的制备及电化学性能详细阅读
超级电容器的比电容定义如下:其中,Q为单位质量电极上储存的电荷量,V为工作电压窗口。超级电容器由于其不同的储存能量机制,可分为以下两种基本类型:电化学双电层电容器[8]。通常情况下,具有大比表面积的碳基活性物质被用作EDLCs的电极材料。这类电容器源于电极材料与电解液之间发生的氧化还原反应[5,10]。图1.1双电层电容器和赝电容器2电池电极装置示意图[11]......
2023-10-20
-
Ni、Co、Fe基复合材料电化学性能研究-意详细阅读
目前,解决这一问题的关键是在不损失SCs高功率容量的基础上,研究设计出价格低廉、能量密度高的电极材料。本书通过优化Ni、Co、Fe基复合电极材料的组成、形貌及结构,使其组装成同时具备高能量密度和高功率密度的SCs,对拓展SCs在电力储能、电动汽车及便携式电子产品等前沿领域的应用有很强的现实意义。......
2023-10-20
-
Ni、Co、Fe基复合材料制备及电化学性能研详细阅读
金属(氢)氧化物的高电活性有助于碳纳米结构/金属(氢)氧化物的比电容和能量密度的提升,并且复合电极中二者产生协同效应降低了材料成本。碳材料作为一种组分在不同维度上与金属(氢)氧化物结合形成的多维复合物是一类优异的超级电容器电极材料,其中石墨烯与Ni2的复合物为近来的研究热点。......
2023-10-20
-
PPE超级电容器的电化学性能分析详细阅读
使用循环伏安法在0～1.0 V的电压区间内分析了PPE纳米线阵列的电化学性能。另外，我们还进行了一项对照实验，以验证PPE纳米线阵列电化学性能的优势。三种纳米线阵列组成的电容器的电化学性能测试如图5.36所示。增强的电化学性能可归因于共聚带来的协同效应。图5.37所示为关于PPE纳米线阵列的恒流充/放电曲线的前20个循环，其显示了安全和良好的充/放电循环特性。......
2023-06-30
-
Ni、Co、Fe基复合材料的制备与电化学性能详细阅读
Fu等人[159]将α-Ni2膜电沉积到Ni片上,发现其具有超高的电容值。结果显示,α-Ni2粒子具有出色的电化学活性,作为单电极比电容值高达2595F/g。在这些方法中,将高导电性的石墨烯引入Ni2形成复合物是一种有效的、直接的方法。另外,Ni2纳米颗粒负载在石墨烯表面可以作为间隔物有效地降低石墨烯片的团聚,最终保持高比表面积,所以研究Ni2与石墨烯复合材料的制备及其电化学性能是非常有必要的。......
2023-10-20
相关推荐