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2017年  第32卷  第6期

Graphical Contents
2017, 32(6): .
摘要(120) PDF(572)
摘要:
陈成猛, 龙东辉, 张强
2017, 32(6): .
摘要(158) PDF(713)
摘要:
纳米碳集流体在电化学储能中的应用进展
孔龙, 闫崇, 黄佳琦
2017, 32(6): 481-500.
摘要(717) PDF(895)
摘要:
电化学储能技术对配置可再生能源和拓展电动器件的广泛使用至关重要。碳纳米集流体具有比表面积高、导电性好、界面可修饰及柔性好等特点,为下一代高比能锂硫电池及目前的锂离子电池和电容器存在的关键科学问题提供了一个良好的研究平台。本文重点对纳米碳基集流体在锂硫电池中的应用及界面作用机理进行了探讨,并介绍了纳米碳基集流体在高比能、高功率锂离子电池和电容器中的作用,最后阐述了纳米碳集流体在这些储能体系中存在的问题及发展空间。
微型超级电容器的器件构型与电极制备最新进展
王森, 郑双好, 黄海波, 孙承林, 吴忠帅
2017, 32(6): 501-508.
摘要(501) PDF(1394)
摘要:
微型超级电容器是一类新型的高功率微型电化学储能器件,不仅能够解决薄膜电池功率密度低和电解电容器能量密度低的问题,而且能够作为功率源与微/纳电子器件直接集成,在瞬间提供有效的峰值功率。本文主要综述了微型超级电容器的器件构型和电极/器件制备方法的最新研究进展,目前面临的挑战,并展望了其未来的发展趋势。
SAPO-34模板法制备多级孔石墨烯笼用作双功能氧还原/氧析出电催化剂
钟玲, 唐城, 王斌, 王浩帆, 高上, 王垚, 张强
2017, 32(6): 509-516. doi: 10.1016/S1872-5805(17)60136-7
摘要(378) PDF(441)
摘要:
具有三维多级孔道结构的石墨烯材料可以作为氧还原反应、氧析出反应的电催化剂,体现出优异的反应活性。在合成石墨烯的众多方法中,化学气相沉积法(CVD)具有良好的应用前景,但可作为CVD法石墨烯沉积模板的材料十分有限。本文采用磷酸硅铝分子筛(SAPO-34)用作多级孔石墨烯的沉积模板制备石墨烯材料。所得石墨烯材料可完整保留SAPO-34分子筛的立方体颗粒结构,呈现为由具有微孔/介孔结构的超薄石墨烯层围成的微米尺度空心立方体结构。引入氨气煅烧,可以得到原子分数6.84%的氮掺杂量。由于具有独特的孔结构,丰富的缺陷位点以及良好的杂原子掺杂,制得的石墨烯材料体现出高效的双功能氧还原与氧析出反应催化活性。
具有高循环稳定性的氮硫掺杂多孔碳纳米球钠离子电池负极材料
张宏伟, 陆佳敏, 杨乐, 胡明祥, 黄正宏, 吕瑞涛, 康飞宇
2017, 32(6): 517-526. doi: 10.1016/S1872-5805(17)60137-9
摘要(335) PDF(421)
摘要:
开发高性能和低成本的负极材料对于室温钠离子电池(SIBs)的商业化至关重要。本文以葡萄糖为碳源,采用简单的水热法合成了粒径均匀且具备多孔结构的碳纳米球,并通过KOH活化和氮、硫共掺杂对其进行改性。作为钠离子电池的负极材料,该碳纳米球在20 mA g-1的电流密度下表现出高达527 mAh g-1的初始比容量,并且在500 mA g-1的高电流密度下经过1 000次循环之后仍保持了95.2%的初始比容量,其循环稳定性优于大多数近期报道的钠离子电池负极材料。其优异性能来源于KOH活化和异质原子掺杂所带来的丰富的孔结构,较大的层间距和良好的导电性。
水热法制备还原氧化石墨烯担载Ni(OH)2纳米带复合材料及其电容特性
李倩, 吕春祥, 陈成猛, 谢莉婧, 袁淑霞
2017, 32(6): 527-534.
摘要(335) PDF(521)
摘要:
以氧化石墨烯溶液和硝酸镍为原料,采用一步水热法制备了Ni(OH)2/还原氧化石墨烯(Ni(OH)2@RGO)复合材料。在Ni(OH)2/还原氧化石墨烯的研究中,两组分间的配比对复合物的形貌和电化学活性具有显著的影响。在最佳配比下(RGO含量26.7%),Ni(OH)2以纳米带形式担载于石墨烯片相互搭接成的三维网络结构中,从而可暴露更多的活性位点和有效比表面积,利于展现更好的电化学性能。该复合材料用作超级电容器电极材料时,展现了高的比电容(在1 A·g-1下的比电容高达1 804 F·g-1),良好的倍率性能(在25 A·g-1下比电容保持率仍在46%以上),以及优异的循环稳定性(在2 A·g-1下循环2 000次的电容保持率为90.3%)。
功能互补炭材料及其在锂硫电池中电化学性能
唐晓楠, 孙振华, 禚淑萍, 李峰
2017, 32(6): 535-541.
摘要(399) PDF(565)
摘要:
由于锂硫电池成本低、理论能量密度高、安全、环保,使其极具潜力成为下一代新能源储能体系。但循环过程中电极材料结构产生破坏及多硫穿梭效应是锂硫电池容量衰减的主要原因。为此,本文提出了采用功能互补的炭材料-氮掺杂石墨烯包覆CMK-3材料(N-(CMK-3@G))来解决该问题。该材料基于功能互补原理,利用CMK-3防止石墨烯堆叠及二维石墨烯包覆在CMK-3外面抑制多硫穿梭,并采用氮掺杂的化学吸附提高锂硫电池正极的电化学性能。以N-(CMK-3@G)/S复合材料作为锂硫电池正极,在电流密度为335 mA·g-1时,300次循环后其可逆放电容量为867.3 mAh·g -1,容量保持率为82%。与N-CMK-3/S和N-G/S正极相比,N-(CMK-3@G)/S复合电极倍率性能及极化特性都得到了较大的改善。从炭材料功能出发,对材料设计,不仅可结合CMK-3及石墨烯的功能特点,形成作用互补,提高锂硫电池的循环性能,且氮掺杂可通过化学作用强化对多硫吸附,抑制多硫离子的穿梭,进一步提高锂硫电池性能。
氮掺杂中孔炭正负极不对称电容行为研究
陈明奇, 潘敏, 田梦, 王际童, 龙东辉
2017, 32(6): 542-549.
摘要(380) PDF(482)
摘要:
以三聚氰胺、苯酚和甲醛为前驱体,硅溶胶为模板剂,采用溶胶-凝胶与硬模板结合的方法,制备出一系列不同氮掺杂含量(0~11.9%)、相似孔结构的中孔炭材料,系统研究了氮掺杂含量对材料在H2SO4,KOH及Et4NBF4/PC电解液体系中的正负极不对称电容行为。结果表明,氮原子的掺杂明显提升了材料在不同电解液体系中的正负极电容性能,且当氮掺杂含量为8%时性能提升最为显著。在KOH电解液体系中,含氮官能团对负极电容贡献明显高于正极,容差最高可达57.9 F/g;在H2SO4电解液体系中,正负极电容容量较为对称;在Et4NBF4/PC电解液体系中,容量的提升主要作用在负极。氮掺杂中孔炭材料正负极不对称电容行为的研究,为优化正负电极活性物质的比例进而提高整个电容器的能量密度提供了研究基础。
粉末状炭气凝胶的结构调控及其在高电压水系超级电容器中的应用
蔡力锋, 许静, 黄剑瑜, 许鸿基, 徐飞, 梁业如, 符若文, 吴丁财
2017, 32(6): 550-556.
摘要(541) PDF(424)
摘要:
在成功合成粉末状炭气凝胶(PCA)的基础上,详细研究了PCA构筑单元(高分子纳米球)粒径、羰基交联时间和羰基交联温度等制备条件与PCA纳米结构的关联性,并探索了PCA在高电压水系超级电容器中的应用。实验结果表明,高分子纳米球粒径、羰基交联时间和羰基交联温度对PCA的纳米结构具有显著的影响,所得PCA均具有优良的三维纳米网络结构,其网络单元可在25~100 nm之间进行剪裁,BET比表面积可在392~767 m2g-1范围内进行调控。由于具有丰富的孔隙率和合理的三维网络层次孔结构,这类PCA材料在1.8 V Na2SO4水系超级电容器中显示出高的比电容量、电容保持率以及高效的电化学活性表面,能量密度显著优于其1.0 V KOH水系超级电容器。
生物质衍生炭负载金属催化剂的制备及析氧性能研究
黄红菱, 于畅, 黄华伟, 姚秀超, 谭新义, 洪家富, 邱介山
2017, 32(6): 557-563.
摘要(382) PDF(418)
摘要:
本文以吸附了金属离子(Ni、Fe离子)的明胶为碳源,采用高温炭化的方法,制备了明胶衍生的富氮炭负载NiFe合金的功能化复合物(NiFe-NC)。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、热重分析、电化学线性扫描等表征手段对NiFe-NC的形貌、结构和电催化析氧性能进行表征和研究。结果表明,金属纳米颗粒均匀负载在炭片的表面,暴露出了更多的活性位点,从而改善和强化了电化学反应动力学过程,提高了其作为析氧反应催化剂的催化性能和稳定性。在10 mA cm-2电流密度下,过电势仅为366 mV,Tafel斜率为46.6 mV dec-1,并在5 mA cm-2的电流密度下能够稳定工作25 h以上。
三维分级多孔炭微球的制备及在锂空气电池中的应用
杨宁, 胡东润, 曹博凯, 陈永, 李德, 陈大明
2017, 32(6): 564-571.
摘要(351) PDF(340)
摘要:
以尿素与甲醛为原料,在酸性条件下沉淀聚合制备脲醛树脂微球。随后进行预氧化、高温热处理制备炭微球。探究了脲醛比、固化剂浓度对炭微球形貌、结构和比表面积的影响。采用扫描电镜、透射电镜、N2吸附等手段对所得产品的形貌与孔结构进行了表征。结果表明:当脲醛比为1∶0.8,固化剂浓度为0.5 M时,制备得到粒径分布均一、分散性好、球形度高的炭微球。其比表面积为498 m2·g-1。通过活化处理,比表面积提高为827 m2·g-1。用于锂空气电池的正极材料,在电流密度为100 mA·g-1时,首次充放电比容量达到2 017 mAh·g-1和2 075 mAh·g-1
不同导电添加剂对SiO/C锂离子电池性能的影响
滕鑫, 许洪亮, 刘琦, 石丽丽, 盖亮, 王垒, 杨裕生, 吴锋
2017, 32(6): 572-580. doi: 10.1016/S1872-5805(17)60138-0
摘要(545) PDF(643)
摘要:
以SiO/C复合材料为负极的锂离子电池相比传统石墨为负极的锂离子电池具有更高能量密度,因而越来越受到开发人员的重视。而SiO/C材料由于Si的存在导致材料本体导电性差,在实体锂离子电池的制作过程中会出现内阻大和倍率性能差等问题,因此导电添加剂组成对电池性能的影响成为研究关键。本文用商业化的LiCoO2、SiO/复合材料和电解液为主要原料,以VGCF和Super P为导电添加剂,制作了2.5 Ah容量的锂离子软包电池。SEM分析测试表明导电碳黑Super P和VGCF分散均匀,可与SiO/C颗粒形成点和线的接触,进而增强负极极片的导电性能。应用两种导电添加剂所制作的SiO/C锂离子电池的能量密度超过了600 Wh/L。相对于采用Super P导电添加剂,VGCF导电添加剂制备的锂离子电池充放电过程的膨胀更小,且倍率性能更加优异,同时低温和循环寿命均表现出更好的性能。
以还原氧化石墨烯网络/金线构建高性能柔性线型电化学电容器
常云珍, 韩高义, 肖尧明, 周海涵, 李妙鱼, 符冬营, 周雯
2017, 32(6): 581-591. doi: 10.1016/S1872-5805(17)60139-2
摘要(324) PDF(366)
摘要:
将金丝插入盛有氧化石墨烯和抗坏血酸混合物的毛细管中,密封条件下于30℃反应48小时制得具有三维网络结构的还原氧化石墨烯/金线(rGON/WAu)柔性复合纤维。通过扫描电子显微镜观测,发现rGON/WAu复合纤维由三维网络结构的还原氧化石墨烯包裹在金丝周围形成。用电化学测试方法详细研究了rGON/WAu复合纤维的电容性能,结果表明:当扫描速度为1 mV s-1时,纤维的长度和质量比电容分别可达5.47 mF cm-1和176.7 F g-1。以磷酸/聚乙烯醇为凝胶电解质,rGON/WAu为电极组装的对称全固态柔性电化学电容器的长度、面积和体积比电容分别可达到2.06 mF cm-1、6.87 mF cm-2和411.9 mF cm-3,其功率密度为0.017 mW cm-2时,能量密度可达9.48×10-4 mWh cm-2。此外,以rGON/WAu为电极的柔性超级电容器还具有很好的稳定性和柔性,三个柔性电容器串联充电后可以点亮电压阈值为2.5 V的发光二极管。
烟草基活性炭材料用于电化学超级电容器
陈辉, 郭燕川, 王富, 王刚, 祁佩荣, 郭旭虹, 代斌, 于锋
2017, 32(6): 592-599. doi: 10.1016/S1872-5805(17)60140-9
摘要(421) PDF(366)
摘要:
烟草基活性炭(TAC)成功制备并用于超级电容器电极材料。由烟草出发,通过一步水热法,进而热解得到烟草基多孔碳(TPC),比表面积为111.25 m2·g-1,孔容为0.11 cm3·g-1,平均孔直径1.77 nm,在0.5 A·g-1电流下,比电容为37 F·g-1。通过碱活化得到TAC,具有较高的比表面积1297.6 m2·g-1,大的孔容0.52 cm3·g-1,和平均孔直径0.52 nm。在0.5 A·g-1电流下,比电容可达148 F·g-1。两电极体系下具有120 F·g-1的比电容值,在1 A·g-1下经过9 000次循环后,容量没有损失。
柔性锂金属电池用无枝晶生长的碳基复合锂电极
陈筱薷, 张睿, 程新兵, 张强
2017, 32(6): 600-604.
摘要(527) PDF(816)
摘要:
柔性储能器件是推动柔性电子器件持续发展的关键动力,也是展示储能技术的高端平台。金属锂负极具有极高的比容量、最低的还原电势以及优异的机械柔性,是高比能二次电池最有前景的负极材料。然而,采用金属锂构筑柔性的锂金属电池易在负极侧产生锂枝晶,带来电池安全隐患和较低的循环寿命,阻碍锂金属电池的实际应用。本文采用石墨烯和金属锂复合形核柔性复合电极,通过碳骨架中引入的杂原子诱导金属锂均匀成核,实现负极侧无枝晶生长,并展示了其在柔性高比能锂金属电池中的应用。