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水系超等电容器:电极电势新起点,拓宽器件电位窗-澳门老金沙平台-js3311com金沙网站

2017-05-17

【弁言】

碳基超等电容器果其优秀的快速充放电才能和超长的轮回稳固机能一向是超等电容器的一个大类,其商业化超等电容器亦最先逐渐进入电子设备市场。跟着现代电子设备对超长续航才能的需求日渐加强,超等电容器的能量密度需响应获得大幅提拔。超等电容器的能量密度取电极电容成反比,取电位窗口巨细的平方成反比。关于便宜、环保的水系碳基(即以碳质料为电极质料,离子盐水溶液电解质)超等电容器而言,提拔电极的比电容和延展电位窗口是进步其能量密度的两个有效途径。

实行注解,修建具有微孔、介孔、大孔的多级孔构造碳质料可提拔碳基电极的比电容。那是由于微孔构造能够为离子吸附供应雄厚的吸附活性位点,同时介孔取大孔则可作为离子散布至微孔外面的快速传输通道。另外,相较于酸性和碱性水系电解液,中性水系电解液果其较低的氢离子和氢氧根离子浓度,电极外面析氢和析氧超电势较下,可使碳基超等电容器的事情电压扩大至1.6 V,从而得到较下的能量密度。但是关于中性水系超等电容器,其整体的事情电压窗口仍会受限于水份解回响反映(正极:析氧回响反映;负极:析氢回响反映)。如下图所示,充电时,电极的电位从均匀开路电压(P0V)最先线性转变(正极电位线性增大,负极电位线性低落)。当正极或负极的电势到达了响应水份解回响反映的电势(即图中赤色虚线所示的位置,已思索超电势的孝敬)时,此时全部器件的电位窗口,即图中两条黑线间的间隔,到达最值。从图c能够看到,当且仅当两个电极的电势同时到达响应水份解回响反映的电势时,此时整体器件的电位窗口才气到达最大值。若任一电极的电势先于另一个电极电势到达水份解电势(图a和图b),则还未最先发生水剖析回响反映的电极的局部电位区间没法被应用,因此全部器件的电位窗口较图c小。

因而可知,若能将P0V调控到适宜的位置,使得正负两电极电位同时到达响应的水份解电位,可使器件整体电位窗口最大化。

【结果简介】

克日,中山大学卢锡洪副教授(通信作者)课题组展现了一种经由过程掌握多级孔碳电极外面开路电位位置去有用拓宽碳基水系超等电容器的事情电压窗口的战略。相干结果宣布正在Angew. Chem. Int. Ed.上,题为“Boosting the Energy Density of Carbon-Based Aqueous Supercapacitors by Optimizing the Surface Charge”,并被选为VIP文章。

作者们经由过程两重战略明显提拔了碳基水系超等电容器的能量密度:其一,分解多级孔碳电极:将含有氯化镍-氢氧化钾的聚乙烯醇凝胶喷涂至碳布上,然后正在惰性氛围(氮气)中将凝胶碳化,并正在盐酸溶液中将天生的镍颗粒消融以制备具有多级孔构造的碳电极;其二,调控P0V:应用恒电压预充电战略对电极外面的电荷停止调控,从而可控天调解P0V,进而将碳基水系对称超等电容器的电位窗口由1.4 V扩大至1.8 V。因而,该超等电容器的能量密度得到了两倍提拔,到达可取局部非对称赝电容超等电容器(每每具有高能量密度)相媲美的高度。另外,文章中展现的要领对提拔运用酸性、碱性水性电解液的碳基对称超等电容器的能量密度一样有用。

【图文导读】

(彩疆土片来自作者)

示意图一:多级孔碳电极的制备流程

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多级孔构造碳电极经由过程应用NiCl2、KOH取聚乙烯醇的混淆火凝胶作为碳的先驱体,运用喷涂法将水凝胶附着于柔性碳布导电基底上,经由过程于氮气中的高温碳化处置惩罚取酸洗濯制备。.

图一:多级孔碳电极的构造取身分表征

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(a-b) 扫描电镜取暗场扫描透射电镜图片显现制备的多级孔碳质料具有孔径从几纳米到几微米不等的孔。

(c) 高分辨透射电镜图片观察到孔壁存在局部石墨化征象。那是由正在热处理历程中由NiCl2剖析构成的镍颗粒催化构成的。石墨化的构造可进步碳质料导电性,利于电子正在电极质料中的快速传导。

(e) X射线光电子能谱图表明所造得的电极仅露C、O两元素,而无其他纯元素。

(f) 推曼光谱图表明分解的多级孔碳质料含有雄厚的缺点取边沿,证实了孔的存在。

(g) 氮气吸脱附曲线显现制备的碳质料具有微孔、介孔取大孔,构成下比表面积的多级孔构造。

图二:多级孔构造碳电极的外面电荷调控历程

(a) 5 mV/s扫速下的轮回伏安曲线以肯定电极的水份解(析氢PL和析氧PU)电位。

(b) 原始多级孔碳电极中性水系对称超等电容器的最大电位窗口为1.4 V。个中负极有0.4 V的电位区间已被应用。

(c-d) 应用差别恒电位对负极停止预充电后,电容器正极(c)和负极(d)的事情电位区间发作背移。

(e) 经由过程预充电战略改动P0V后,超等电容器正负极同时到达水份解电位,器件电容电位窗口获得最大水平扩大。

图三:预充电战略调控后的超等电容器的电化学机能

(a) 差别电流密度下的恒电流充放电曲线。

(b) 电位窗口扩大后的超等电容器的能量密度和功率密度,及其取已调控P0V超等电容器和局部已报导的超等电容器对照。

示意图二:外面电荷调控优化碳基水系超等电容器电位窗口道理

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经由过程对电极预充电使P0V发作挪动,进而拓展整体器件的电位窗口。具体议论请参考本篇导读的弁言后半局部。

图四:电极预充电战略调控酸性取碱性水系碳基超等电容器的电位窗口

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(a-b) 经由过程对正极的开路电位调控,运用酸性电解液(0.5 M H2SO4)碳基超等电容器的P0V背移0.13 V,使整体器件的电位窗口到达最大。

(c-d) 经由过程同时对正、背电极的开路电位调控,运用碱性电解液(1.0 M KOH)碳基超等电容器的P0V正移0.1 V,使整体器件的电位窗口到达最大。

【总结】

本文报导了一种应用火凝胶作为先驱体系体例备多级孔构造碳电极的要领,并展现了一种预充电战略要领扩大电容器电位窗口。该法对运用中性、酸性、碱性水系碳基超等电容器电位窗口都可有用拓宽,从而极大天提拔响应水系对称超等电容器的能量密度。该事情展现的战略无望应用于水系非对称超等电容器,为制备高能量密度的超等电容器器件供应可能性。

转载自质料人