电工所高性能石墨烯基超级电容器研究中取得进展

正超级电容器作为新型储能器件,具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长等优点,但其能量密度一直受限于电极材料的性能。中科院电工研究所马衍伟课题组通过金属镁热还原二氧化碳气体,成功制备出富含孔道结构的石墨烯电极材料。基于此石墨烯研制的超级电容器,在水系和有机电解液中表现出优异的功率特性和循环寿命,在功率密度为1kW/kg的时候,能量密度高达80Wh/kg,远高于目前商业化活性炭基     

磷酸根掺杂MnFe2O4及其赝电容特性

采用水热法先合成MnFe₂O₄(MFO), 然后通过与PH₃反应制备了磷酸根离子掺杂的MnFe₂O₄(PMFO), 以提高它的电化学性能。研究结果表明, 磷酸根掺杂不仅增大了MnFe₂O₄的比表面积, 也增加了材料的电导性。在1 A/g电流密度下, PMFO比容量为750 F/g, 与MFO相比, 比电容提高了近70%, 同时循环稳定性也得到了极大改善。以PMFO为正极、活性碳为负极的非对称超级电容器(ASCs), 在功率密度为2.7 kW/kg时, 能量密度达到168.8 Wh/kg。因此, PMFO是有极大应用前景的超级电容器电极材料。     

碳包覆介孔四氧化三铁纳米阵列:高性能Ni/Fe水相电池阴极材料

阴极材料的开发对于可充电水相电池的发展具有重要意义.本文通过自牺牲模板法和碳包覆法相结合制备了碳包覆介孔Fe₃O₄纳米阵列阴极材料(Fe₃O₄@C MNAs).得益于包覆碳层、介孔结构和纳米阵列结构的优异特性, Fe₃O₄@C MNAs电极表现出良好的倍率性能和优秀的循环稳定性.在组装的Ni/Fe电池器件中, Fe₃O₄@C MNAs表现出较高的能量密度及功率密度(在能量密度为213.3 W h kg^-1时功率密度为0.658 kW kg^-1和在功率密度为20.7 kW kg^-1时能量密度为113.9 W h kg^-1)和出色的循环稳定性(约5000次循环后保持81.7%).     

简易合成MgCo2O4纳米线及其电化学性能研究

通过水热路径引入表面活性剂十二烷基磺酸钠在泡沫镍上成功合成出比表面积较大、超薄多孔的MgCo₂O₄纳米线。研究表明,MgCo₂O₄纳米线展示出紧密交织透明的网格状结构且在5 A/g的电流密度下,比电容高达2128 F/g。在40 A/g的情况下循环6000周次后,比电容保持了原始容量的98.4%。将该纳米线和活性炭分别作为正极和负极组装成非对称超级电容器,其比电容可达65.32 F/g且在功率密度为338.95 W/kg下能量密度可达20.41 Wh/kg。上述结果表明该非对称超级电容器是一个较好的储能装置,在实际应用中拥有良好的潜力。     

用于超级电容器的还原氧化石墨烯/NixMn1-x/2O2复合材料的电化学性能

MnO₂为有前景的超级电容器正极材料,具有较高的理论比电容及良好的循环稳定性,但电子电导性不佳限制了其应用。采用一步水热法制备了还原氧化石墨烯（RGO）/Ni_xMn_1-x/2O₂复合材料。通过XRD、SEM、TEM、FTIR、电化学分析等手段对制备的RGO/Ni_xMn_1-x/2O₂物相组成、微观形貌和电化学性能进行了表征和分析。电化学测试结果表明：Ni元素的引入提高了MnO₂的电容性能,以水热法制备的MnO₂的比电容为66 F/g （扫描速度10 mV/s）,而Ni元素掺杂量x=0.02时,Ni_0.02Mn_0.99O₂比电容为111 F/g;材料中引入RGO后,RGO/Ni_xMn_1-x/2O₂复合材料电容性能进一步提高,加入2wt%的RGO时,RGO/Ni_0.02Mn_0.99O₂的比电容为136 F/g。RGO的引入提高了活性材料的电子迁移速率,Ni元素的掺杂造成了MnO₂晶格中存在适量的点缺陷,提高了其导电性。以RGO/Ni_xMn_1-x/2O₂为正极的超级电容器可同时具备双电层电容器和赝电容器的优点,以Ni掺杂MnO₂和RGO的负载协同提高了该复合材料电化学性能。     

一步法直接合成rGO/Bi2O2CO3及其光催化性能研究

采用简单易行的一锅水热法, 制备了还原氧化石墨烯(RGO)复合的Bi₂O₂CO₃光催化剂。通过XRD、N₂吸附、XPS、SEM和TEM等测试手段对光催化剂进行表征。结果表明: 石墨烯与Bi₂O₂CO₃纳米片形成了有效复合。在设计吸附饱和排除RGO物理吸附的影响下, 发现复合光催化剂的性能明显提高, 其中RGO复合量为6.0wt%时活性最佳, 其光催化降解RhB的速率是Bi₂O₂CO₃的3.02倍, 并具有良好的循环稳定性。光电谱学分析表明复合RGO有效抑制了光生电子-空穴对的复合, 且拓宽和增强了催化剂的可见光吸收。机理分析表明: RGO/Bi₂O₂CO₃中O₂可多位点捕获光生电子, 从而产生更多活性物种O₂^-·, 实现对污染物的快速有效降解。     

锂空气电池用碳纳米管/钴锰氧化物复合电极材料的制备及电化学性能

采用沉淀法合成了不同钴锰含量的碳纳米管(CNTs)/钴锰氧化物纳米复合材料. 利用XRD、SEM、TEM、BET和FT-IR等方法对材料进行了表征, 考察了不同复合材料对锂空气电池放电及充电过程的影响, 同时对循环性能进行了研究. 结果表明: 钴锰比例为4:0与0:4时, 产物为CNTs/Co₃O₄与CNTs/Mn₃O₄, 钴锰比例为3:1、2:2、1:3时, 产物为CNTs/(Co, Mn)(Co, Mn)₂O₄。产物具有良好的分散性能, 氧化物负载在碳管表面, 其中CNTs/Mn₃O₄的分散性能最好。随着锰含量的增加, 电池的放电性能提高, CNTs/Mn₃O₄的放电电压达到2.92 V。随着钴含量的增加, 电池的充电性能提高, 充电电压最低为3.80 V。钴锰比为3:1时的产物充放电过电势(△V)仅为1.05 V, 5次循环后依然保持着良好的放电性能。     

Fe3O4/GO/CeO2复合纳米材料的制备及其对水中亚甲基蓝吸附性能研究

首先通过溶剂热法制备Fe₃O₄纳米颗粒，再通过离子强度调控法制备磁性氧化石墨烯(Fe₃O₄/GO),最后用共沉淀法制得Fe₃O₄/GO/CeO₂复合纳米材料，并用扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDX)、X射线衍射(XRD)等技术对其进行表征。结果表明：Fe₃O₄纳米颗粒与CeO₂纳米颗粒均匀地分散在GO上。研究了Fe₃O₄/GO/CeO₂复合纳米材料对亚甲基蓝染料的吸附性能，并考察了不同因素对吸附性能的影响。由于Fe₃O₄纳米颗粒有着磁性的性质，易回收分离，具有再生利用性能。吸附实验结果表明：Fe₃O₄/GO/CeO₂复合纳米材料循环5次后对亚甲基蓝的吸附率仍在95%以上。因此，Fe     

基于共价键作用的四氧化三铁-还原氧化石墨烯复合材料的合成及其储锂性能

采用溶剂热法制备单分散的Fe₃O₄微球, 对其表面进行包覆SiO₂和氨基化处理, 再与氧化石墨烯复合, 化学还原后得到Fe₃O₄-W-RGO复合材料。SEM和TEM照片显示, SiO₂均匀包覆在Fe₃O₄微球(直径~440 nm)表面形成Fe₃O₄@SiO₂核壳微球, 紧密束缚于RGO纳米片表面。XRD测试结果表明Fe₃O₄微球结晶度好、纯度高。电化学性能测试结果表明: 在0.01~3.00 V电压范围和0.1C倍率下, Fe₃O₄-W-RGO复合材料的首次放电容量为1246 mAh/g, 100次循环后保持830 mAh/g; 在2C倍率下放电容量达到484 mAh/g, 具有较好的倍率性能和循环性能。     

rGO/NiCo复合材料制备及电化学性能研究

超级电容器因其能量密度大、功率密度高等优异性能而被认为是理想的储能器件，能在一定程度上有效解决能源问题。电极材料决定性影响着超级电容器的性能，而具有高理论比电容的过渡金属是人们的研究热点。镍钴双金属氧化物储能效力高，但是内阻大，导致倍率性能差。基于此，本工作利用简单的水热法成功合成rGO@Ni_xCo_y纳米复合材料，通过不断调控镍钴元素的相对比例来调整物质的形貌结构，找到其最佳比例。在所有纳米复合材料中，rGO/NiCo纳米复合材料在0.5 A/g下表现出600 F/g的优异比电容值，其组装的rGO/NiCo∥rGO柔性器件在1 A/g下的比电容为418.2 F/g，能量密度为98 Wh/kg，功率密度为1 300 W/kg，且在8 000次充放电循环后仍保持93%的比电容，同时固态柔性器件可以有效地在广泛的电压窗口中操作，优异的电化学性能预示了其在柔性超级电容器器件中的应用前景。     

Wire-Shaped 3D-Hybrid Supercapacitors as Substitutes for Batteries

We report a wire-shaped three-dimensional(3D)-hybrid supercapacitor with high volumetric capacitance and high energy density due to an interconnected 3D-configuration of the electrode allowing for large number of electrochemical active sites,easy access of electrolyte ions,and facile charge transport for flexible wearable applications.The interconnected and compact electrode delivers a high volumetric capacitance(gravimetric capacitance)of 73 F cm−3(2446 F g−1),excellent rate capability,and cycle stability.The 3D-nickel cobalt-layered double hydroxide onto 3D-nickel wire(NiCo LDH/3D-Ni)//the 3D-manganese oxide onto 3D-nickel wire(Mn3O4/3D-Ni)hybrid supercapacitor exhibits energy density of 153.3 Wh kg−1 and power density of 8810 W kg−1.The red lightemitting diode powered by the as-prepared hybrid supercapacitor can operate for 80 min after being charged for tens of seconds and exhibit excellent electrochemical stability under various deformation conditions.The results verify that such wire-shaped 3D-hybrid supercapacitors are promising alternatives for batteries with long charge–discharge times,for smart wearable and implantable devices.     

Three-dimensional sea urchin-like MnCo2O4 nanoarchitectures on Ni foam towards high-performance asymmetric supercapacitors

To construct supercapacitors (SCs) with high-efficient electrochemical properties, the morphology and structure of applied electrode materials are the key factors. Herein, three-dimensional (3D) sea urchin-like MnCo₂O₄ nanoarchitectures grown on Ni foam (NF) were successfully synthesized via a simple solvothermal method and subsequent annealing treatment. Electrochemical tests revealed that the area specific capacitances of the MnCo₂O₄ electrode and the corresponding assembled asymmetric device can achieve 1634 and 522 mF·cm⁻², respectively. When the power density of the assembled asymmetric supercapacitor (ASC) is 2.25 mW·cm⁻², the maximum energy density can reach 0.163 mW·h·cm⁻². After 5500 cycles of long-term stability test, the capacity retention rate maintains 91.7%. The excellent electrochemical performance can be mainly ascribed to the unique nanostructure of the material, which provides a great quantity of electroactive sites for Faraday redox reactions as well as accelerates the process of the ions/electrons transport. This work provides a certain reference value for the preparation of MnCo₂O₄ electrode with novel structure and excellent electrochemical performance for SCs.     

介孔四氧化三锰纳米棒的快速低成本制备与电化学性能

仅以乙醇和四水合醋酸锰为原料, 快速低成本地合成了介孔四氧化三锰纳米棒, 并将其应用于锂离子电池负极材料。通过X 射线衍射、热重分析仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和比表面积仪等分析手段对四氧化三锰样品进行了表征。实验结果表明: 介孔四氧化三锰纳米棒的平均直径约为150 nm, 孔的尺寸范围为6~20 nm, BET比表面积高达37.3 m²/g。同时, 介孔四氧化三锰纳米棒负极材料在141 mA/g的电流密度下循环100次后可逆充放电容量为676.1和662.4 mAh/g, 而且其在不同的电流密度下继续循环80次后可逆放电容量高达850 mAh/g, 体现出了较高的容量、好的循环稳定性能和倍率性能。     

椰壳活性炭基超级电容器的研制与开发

为了开发体积小巧、大功率放电性能优良的超级电容器,选用比表面积1 660m2/g的椰壳活性炭,采用扣式电池结构,通过恒电流充放电、电化学阻抗谱、扫描电子显微镜等方法对其用于超级电容器的性能进行了考察。结果表明,选用椰壳活性炭的最大比容量为79F/g,大功率放电性能优良。继而采用该种椰壳活性炭为电极活性物质,以6m o l/L KOH为电解液,外包装采用涂覆防腐蚀尼龙层的铝箔袋软包装组装了1V、70F的超级电容器,外形尺寸为35mm×43mm×6mm。测试结果表明其比功率密度为170W/kg或330W/L,比能量密度1W h/kg,大功率放电特性较好。     

锂离子电池负极材料钛酸锂的研究进展

锂离子电池作为一种动力能源, 在电动汽车和各种储能系统中有着良好的应用前景。尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)负极材料具有较高的脱嵌锂电位平台、优异的循环稳定性、以及突出的安全性能, 被认为是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料, 在锂离子动力电池中具有巨大的发展潜力。然而, 尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂存在着本征导电率低, 理论容量小等缺陷, 极大地限制了其规模化应用, 需要进一步改善和提高。本文总结了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂材料在结构形貌、制备方法和性能方面的研究进展, 深入分析和讨论了离子掺杂、碳表面改性和纳米化等改性方法对尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂综合电化学性能的改善效果, 并展望了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池负极材料未来的发展方向。     

A two-step approach to synthesis of Co(OH)2/γ-NiOOH/reduced graphene oxide nanocomposite for high performance supercapacitors

A two-step approach was reported to fabricate cobaltous?hydroxide/γ-nickel?oxide?hydroxide/reduced graphene oxide (Co(OH)₂/γ-NiOOH/RGO) nanocomposites on nickel foam by combining the reduction of graphene oxide with the help of reflux condensation and the subsequent hydrothermal of Co(OH)₂ on RGO. The microstructural, surface morphology and electrochemical properties of the Co(OH)₂/γ-NiOOH/RGO nanocomposite were investigated. The results showed that the surface of the first-step fabricated γ-NiOOH/RGO nanocomposites was uniformly coated by Co(OH)₂ nanoflakes with lateral size of tens of nm and thickness of several nm. Co(OH)₂/γ-NiOOH/RGO nanocomposite demonstrated a high specific capacitance (745 mF/cm² at 0.5 mA/cm²) and a cycling stability of 69.8% after 1000 cycles at 30 mV/cm². γ-NiOOH/RGO//Co(OH)₂/γ-NiOOH/RGO asymmetric supercapacitor was assembled, and maximum gravimetric energy density of 57.3 W?h/kg and power density of 66.1 kW/kg were achieved. The synergistic effect between the highly conductive graphene and the nanoflake Co(OH)₂ structure was responsible for the high electrochemical performance of the hybrid electrode. It is expected that this research could offer a simple method to prepare graphene-based electrode materials.     

Mn3O4@ZnO核壳结构纳米片阵列的可控合成及其在水系锌离子电池中的应用

锰基氧化物是一类非常有潜力的水系锌离子电池正极材料, 但是在充放电循环过程中面临结构坍塌而导致容量快速衰减。本研究结合微波水热法和原子层沉积法在碳布上构筑了具有核壳结构的Mn₃O₄@ZnO纳米片阵列, 经优化ZnO的包覆厚度后, Mn₃O₄充放电100个循环的容量保持率可以提高至60.3%。ZnO包覆层可以有效维持Mn₃O₄的结构稳定性, 并且避免其与电解液直接接触而被腐蚀溶解, 从而改善材料的储锌电化学性能。这种核壳状结构的设计为发展高性能水系锌离子电池锰基氧化物正极材料提供了一种有效的思路。     

二硫化钼用作不对称型电化学电容器的负极材料

利用二硫化钼(MoS₂)在较低电势范围内可逆储锂的现象, 采用二硫化钼作为负极材料,和活性炭(AC)正极材料配伍, 组装成混合型电化学电容器, 在锂基有机系电解液中其电压可高达3.4 V。使用XRD和SEM等测试手段对负极材料的物性进行了表征,探讨了负极材料的储能机理, 并考察了正负极质量比对负极储锂容量的影响。电化学性能测试结果显示电容器具有较高能量密度和功率密度, 分别达到28.7 Wh/kg和1203.4 W/kg, 电容器也表现出较好的循环稳定性, 在0.4 A/g电流密度下, 经1000次循环后容量保持率高达76.6%。