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龙眼籽衍生的活性碳结合碱性-酸性电解液制备2V高稳定工作电压的水系对称型超级电容器

龙眼籽衍生的活性碳结合碱性-酸性电解液制备2V高稳定工作电压的水系对称型超级电容器

龙眼籽衍生的活性碳结合碱性-酸性电解液制备2V高稳定工作电压的水系对称型超级电容器

龙眼籽衍生的活性碳结合碱性-酸性电解液制备2V高稳定工作电压的水系对称型超级电容器

研究背景

水系对称碳基超级电容器(CSC)一直以来都是能量存储装置的研究重点,因为其具有低成本,固有安全性和优异的电化学稳定性等优点。然而迄今为止,大多数报道的水性对称CSC的能量密度很低。在几种常用的碳材料中,具有丰富来源的活性炭(AC)由于具有显著的成本优势,多种多孔结构以及自掺杂杂原子,使得他们在双电层(EDL)电容器的电极材料中占有主导地位。此外,龙眼是一种营养丰富的水果,然而,每年数百吨龙眼籽(LS)被丢弃。考虑到LS中丰富的氨基酸,它应该是一种用于转化为生物质衍生的活性炭的优异碳前体。因此,利用龙眼籽作为多孔活性碳前驱体,制备多孔结构的活性碳以此作为高性能的CSC应具有很大研究意义。

 

成果简介

最近,来自南京工业大学材料化学工程国家重点实验室的Fu lijun,先进材料研究所以及能源科学与工程学院的Zhu Yusong与吴宇平(共同通讯)报道了一种生物质衍生的活性碳用于碱性-酸性电解质的电极的对称超级电容器(SSCs),这种水性对称CSC具有出色的电化学性能,尤其是2 V的高稳定工作电压和超过10000次循环的无损失的循环稳定性。而且在248 W kg-1时显示出36.9 W h kg-1的能量密度,并且功率密度为4083 W kg-1,能量密度为8.8 W h kg-1,远高于传统的水性对称CSC。另外在本工作中,作者使用了稳定的碱性 – 酸性电解质可作为一种创新技术来增强水性超级电容器的能量密度。相关文献“Fabricating an Aqueous Symmetric Supercapacitor with a Stable High Working Voltage of 2 V by Using an Alkaline–Acidic Electrolyte”发表在Advanced Science上。

 

研究亮点

(1) 以龙眼籽为前驱体,通过KOH活化,制备了具有高表面积、多孔的活性碳前驱体。

(2) 制备了稳定的碱性 – 酸性电解质溶液,在改善水性对称CSC的能量密度方面具有很大的应用前景。

(3) 龙眼籽衍生的活性碳用于碱性-酸性电解质的电极的对称超级电容器,具有2V的高稳定工作电压和超10000次循环的稳定性。

 

图文导读

龙眼籽衍生的活性碳结合碱性-酸性电解液制备2V高稳定工作电压的水系对称型超级电容器

图 1. 龙眼籽衍生活性炭样品的SEM和TEM图像: a,d) LS AC 1–1, b,e) LS AC 1–3, c,f) LS AC 1–5。

要点解读

龙眼种子衍生的活性碳通过简单的两步法制备:碳化和KOH活化。源自碳前驱体和KOH的三种质量比(1:1,1:3,1:5),分别标记为LS AC 1-1 LS AC 1-3和LS AC 1-5。如图1所示,无论KOH活化剂的含量如何,LS AC样品都显示出不规则微块和不均匀分布的空腔。此外,LS AC的所有样品中都存在丰富的孔隙,这些孔隙主要来自于KOH的活化。从LS AC的TEM图像可以看出,样品表面的孔分布和粗糙度随KOH含量的增加而变化。 LS AC 1-1显示具有类石墨烯层和少量孔的光滑的表面(图1d)。当KOH的含量提高到83.3%时,LS AC 1-5显示出具有大量孔的粗糙表面(图1f)。

 

龙眼籽衍生的活性碳结合碱性-酸性电解液制备2V高稳定工作电压的水系对称型超级电容器

图2. LS AC电极在1M H2SO4水溶液中的电化学性能:a)10 mV s-1的CV曲线和b)所有LS AC电极的1 A g-1的GCD曲线。c)不同扫描速率下LS AC 1-5电极的CV曲线。d,e)在各种电流密度下LS AC 1-5电极的GCD特性。f)LS AC 1-5电极的特定电容与电流密度的关系。 g)LS AC 1-5电极的奈奎斯特图(插图为部分放大)。h)LS AC 1-5电极在5 A g-1下的循环稳定性超过10000次循环。

要点解读

首先,所有LS AC电极在1 M H2SO4电解质水溶液(电位范围从0到1 V对饱和甘汞电极(SCE))中的10 mV s-1处的准矩形循环伏安法(CV)曲线和1 A g-1处的对称恒电流充放电(GCD)曲线在分别如图2a,b所示,表现出优异的库仑效率和双电层电容性能,以及较小的来自于C=O氧化还原峰。显然如图2b,LS AC 1-5电极显示了最好的电容性能,这主要由于样品LS AC 1-5具有最大的表面积和孔体积。图2c测试了LS AC 1-5在不同的扫描速率的CV曲线。随着扫描速度的增加到100 mV s-1,CV曲线仍保持准矩形形状,表明由于大量介孔和微孔特性导致的样品的出色性能。LS的放电特性电容AC 1-5(图2f)表明58.9%的电容保持率,优于其他LS AC样品(48%和42%),同样主要归因于样品较大的孔体积。从电化学阻抗谱(图2g)可以发现,LS AC 1-5的较低电荷转移电阻(RCT)≈0.8Ω,表明其在溶液中具有较快的离子扩散速率。在电流密度为5 A g-1时测试了LS AC 1-5的循环性能,如图2h所示,LS AC 1-5具有出色的电化学性能10000次循环后,电容保持率为96.5%。

龙眼籽衍生的活性碳结合碱性-酸性电解液制备2V高稳定工作电压的水系对称型超级电容器

图3. LS AC电极在2 M KOH水溶液中的电化学性能:a)10 mV s-1的CV曲线和b)所有LS AC电极的0.5 A g-1的GCD曲线。c)不同扫描速率下LS AC 1-5电极的CV曲线。 d,e)LS AC 1-5电极在各种电流密度下的GCD特性。f)LS AC 1-5电极的特定电容与电流密度的关系。g)LS AC 1-5电极的奈奎斯特图(插图是部分放大图)。h)LS AC 1-5电极在3 A g-1的循环稳定性超过10000次循环。

要点解读

类似在1 M H2SO4电解质溶液中的行为,LS AC 1-5同样显示出最优异的电容性能(360 F g-1,0.5 A g-1)(图3b)。多种扫描速率下LS AC 1-5电极的CV曲线在图3c中也保持了准矩形和对称的形状,并没有明显的变形,证明了优异的EDL电容特性和倍率。根据CV曲线的结果,当电流密度从0.5增加到20 A g-1时,LS AC 1-5的电容保留率为59.2%(图3f)。 LS AC 1-5显示出尖锐的斜率小半径的半圆(≈1.8Ω),表明RCT较低和快速的反应动力学(图3g)。此外,LS AC1-5还显示出了优异的循环稳定性,在电流密度为3 A g -1的10000次循环后仅有2%的电容衰减(图3h)。

 

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图4. 基于LS AC的超级电容器在碱性 – 酸性电解质中的电化学性能:a)不同扫描速率下的CV曲线。b,c)不同电流密度下的GCD曲线。d)特定电容-电流密度图。e)在5 000 g-1的循环稳定性超过10000次循环。f)奈奎斯特图和g)Ragone图与基于LS – AC的超级电容器在2 M KOH,1 M H2SO4和1 M Li2SO4溶液中的对比曲线。

要点解读

CV曲线表明LS AC的超级电容器的在不同扫描速率下的EDL电容优异的充放电行为(图4a)。LS AC的超级电容器的GCD曲线从0.25到6 A g-1几乎是对称的(图4b,c),并进一步表现出良好的EDL特性和倍率。LS AC超级电容器在碱性 – 酸性电解质中的循环稳定性如图4e所示,在10000次循环后几乎没有电容损失并具有低的RCT≈20Ω(图4f)。此外,在前4000次循环中,LS AC超级电容器经历激活过程且性能稳定;而在4000次循环后出现缓慢的电容衰减,这是由于因于K+传导的Nafion膜在OH环境中发生小幅度的降解。根据LS AC的超级电容器在不同电流密度和电解质下的GCD曲线计算,绘制了Ragone图以分析LS AC的超级电容器的能量密度(图4g)。结果显示,与使用2 M KOH,1 M H2SO4和1 M Li2SO4电解质水溶液的传统SSCs相比,其性能优于以往的水性对称CSC,在4 kW kg-1的较高功率密度下仍可获得8.8Wh kg-1的能量密度。这种SSC具有如此高的能量密度可归因于在碱性 – 酸性电解质中,合理利用释放H2/O2的过电势以及LS AC的电容。

总结与展望

总之,本文报道了一种新型稳定的碱性 – 酸性电解液用于制备基于KOH活化的生物质碳材料的高能对称超级电容器。本工作中所制备的LS AC 1-5样品在0.5 A g-1时可提供307 F g-1(1 M H2SO4)和260 F g-1(2 M KOH)的高电容,以及10 000次循环后几乎无损的优异的循环稳定性。由LS AC 1-5和碱性 – 酸性电解液组成的对称超级电容器具有2 V的高稳定工作电压,出色的循环性能。因此,这种稳定的碱性 – 酸性电解质在改善水性对称CSC的能量密度方面具有很大的应用前景,此外,在一些其他的高电容碳材料和高性能耐腐蚀金属氧化物材料中也同样试用。

文献链接

Fabricating an Aqueous Symmetric Supercapacitor with a Stable High Working Voltage of 2 V by Using an Alkaline–Acidic Electrolyte. Advanced Science, 2018, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.201801665

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201801665

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨TheShy

主编丨张哲旭


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