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用于高能量和高功率LIC正负极的基于硼和氮双掺杂三维碳纳米棒

用于高能量和高功率LIC正负极的基于硼和氮双掺杂三维碳纳米棒

随着用电设备的发展,对于高能量、高功率密度和长循环寿命的储能装置的需求日益旺盛。在目前的储能体系中,锂离子电池(LIB)和超级电容器(SC)因应用广泛而备受关注。然而,LIB虽然能够提供高能量密度(150-200Wh/kg),但功率密度和循环寿命较低;SC虽然能够提供高功率密度(2-5kW/kg)和长循环寿命(超过1×10^5个循环),但能量密度较低。因此,开发兼具LIB和SC特点,实现优势互补的储能系统势在必行。

鉴于此,中国科学技术大学的余彦教授和南京理工大学的夏晖教授课题通过简易的方法制备出了高性能B和N双重掺杂的碳纳米棒,将其用于锂离子电容器(LIC),表现出及其优异的电化学性能。


用于高能量和高功率LIC正负极的基于硼和氮双掺杂三维碳纳米棒

图1. a) 0-BNC, 0.1-BNC和0.15-BNC正极在10mV/s下的CV曲线;(b) 0.1-BNC正极在不同扫速下的CV曲线;(c) 0.1-BNC正极在不同电流密度下的充放电曲线;(d) 0-BNC, 0.1-BNC和0.15-BNC正极的倍率性能;(e) 0.1-BNC正极在2A/g下循环5000次的循环性能。

用于高能量和高功率LIC正负极的基于硼和氮双掺杂三维碳纳米棒

图2. (a) BNC//BNC LIC 电荷存储机制的示意图;(b) BNC//BNC LIC在不同扫速下的CV曲线;(d)BNC//BNC LIC 在0.02-4.5V之间以2A/g的电流密度进行循环的循环性能;(e) BNC/BNC LIC 相较于之前报道的LICs的Ragone plots,插图是LIC设备点亮10个绿色LED灯。


电化学性能测试表明:对于构筑的4.5V BNC//BNC双碳型LIC器件,可以提供220Wh/kg的高能量密度22.5kW/kg (在104 Wh/kg)的高功率密度,同时其在5000次循环后,容量保持率能够维持在81%,表现出非常好的循环性能。

对于LIC表现出的优异性能,作者给出了如下解释:

  • 多孔碳材料,具有较大的比表面积、高电导率、有益于改善循环性能和倍率性能

  • B,N掺杂促进Li+的扩散;

  • 具有充足微孔的大比表面积可以大大增加电解质/电解质界面,从而产生较大的赝电容效应并促使电解质渗透到活性材料中

  • 3D互联的导电网络便于电子的高速传输;

  • 丰富的吡啶N,吡咯N和B-C官能团能够在表面产生大量的活性位点,以此增加表面电荷存储能力



参考文献:

Qiuying Xia, Hai Yang, Min Wang, Mei Yang, Qiubo Guo, Liming Wan, Hui Xia and Yan Yu, High Energy and High Power Lithium-Ion Capacitors Based on Boron and Nitrogen Dual-Doped 3D Carbon Nano bers as Both Cathode and Anode, Adv. Energy Mater. 2017, 1701336, DOI: 10.1002/aenm.201701336.

 


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