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近期超电汇总

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1、配位聚合物制备多层混合金属氧化物

无定型配位聚合物(CP)对金属阳离子无特殊性,因此其组成可以容易地调节。南洋理工大学楼雄文课题组利用无定型CP作为前驱体,合成多层混合金属氧化物;首先合成Ni-Co配位聚合物,随后通过快速热处理转变为7层洋葱状Ni-Co氧化物。当其用于超级电容器,在水系电解液中表现出高的比电容(在2A/g电流密度下约1900F/g)、优异的倍率性能和超高的循环稳定性(20000次循环后容量保持率为93.6%)。以石墨烯/多层大孔碳球作为对电极,组装成混合超级电容器,在功率密度为1604W/kg时能量密度为52.6Wh/kg(基于活性物质重量),且具有优异的循环稳定性。多层的壳可以有效地缓解体积变化,从而产生优异的电化学性能和循环性能。该合成策略是通用的,可用于合成结构、组成和尺寸可调控的其它多层金属氧化物。

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图1.多层结构形成过程及相应的TEM

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图2.多层Ni-Co氧化物的电化学性能。a) 不同扫速下的CV曲线,b) 不同电流密度下的充放电曲线,c)根据放电曲线计算的相应比电容,d) 在10A/g电流密度下的循环性能


Bu Yuan Guan, Akihiro Kushima, Le Yu, Sa Li, Ju Li, Xiong Wen (David) Lou, Coordination Polymers Derived General Synthesis of Multishelled Mixed Metal-Oxide Particles for Hybrid Supercapacitors, Adv. Mater., 2017, 1605902, DOI: 10.1002/adma.201605902

 

2、活性炭简单处理,能量密度显著提升

加利福尼亚大学Richard B. Kaner课题组利用激光处理活性炭电极(LSAC),使电极形成微通道连接活性炭间的内部空间与电解液。这些微通道可用作电解质储存器,进而缩短离子扩散距离并且增强电极表面和电解质离子间的相互作用。当采用氧化还原电解液(亚铁氰化物/铁氰化物),其可通过获取更高的电容和更大的电位窗口(2V)来实现能量密度提升。LSAC和氧化还原电解液协同作用,使其容量是传统乙腈基电解质和活性碳电极超级电容器的8倍;同时还具有高的倍率容量、低的ESR(等效串联电阻)和优异的循环稳定性

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图3.[Fe(CN)63-/Fe(CN)64-]作为氧化还原电解液(RE)时电化学性能。a) LSAC电极在1M Na2SO4电解液中存在RE和缺少RE时电荷存储机理示意图,b) AC和LSAC在1.0M乙腈基电解液和0.1M RE中CV曲线对比,扫速为50mV/s,c) LSAC在0.1M RE中不同扫速下的CV曲线,d) 不同电流密度下的充放电曲线,e) 四种状态下不同电流密度时面积容量对比,f) 四种状态下阻抗对比,g,h) 能量密度对比,i) 0.1M RE-LSAC超级电容器在电压窗口为2.0 V的循环性能


Jee Y. Hwang, Mengping Li, Maher F.El-Kady, Richard B. Kaner, Next-Generation Activated Carbon Supercapacitors: A Simple Step inElectrode Processing Leads to Remarkable Gains in Energy Density, Adv. Funct. Mater., 2017, 1605745, DOI: 10.1002/adfm.201605745

 

3、Ni纳米管阵列上生长Fe2O3纳米针

南京理工大学夏晖教授课题组利用可控电沉积过程Ni纳米管阵列上生长Fe2O3纳米针(NiNTAs@Fe2O3纳米针),用于超级电容器负极表现出高的比电容(10mV/s扫速下容量为418.7F/g)以及高的倍率性能。与同样方法制备的NiNTAs@MnO2纳米片组装成不对称超级电容器,表现出优异的电容性能,且具有高的能量密度和功率密度。优异的电容性能归因于:1) Fe2O3纳米针形态可以提供多的活性位点,增加比电容;2)Ni纳米管可提供快速的电子转移路径且利于离子快速扩散,这不仅增加了正负极活性材料的利用,而且降低电阻;3)电极中的大量纳米空间和分级核-分支纳米结构有助于缓解体积变化,保持电极结构的稳定;4)NiNTAS@Fe2O3和纳米针负极和NiNTAS@MnO2纳米片正极电位窗口的匹配,可使ASC装置的能量密度最大化

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图4.材料制备示意图

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图5.NiNTAs@Fe2O3纳米针,Fe2O3薄膜,α-Fe2O3纳米棒电化学性能对比。a)100mV/s扫速下CV曲线,b) NiNTAs@Fe2O3纳米针在不同扫速下的CV曲线,c) NiNTAs@Fe2O3纳米针在不同电流密度充放电曲线,d) 根据CV和充放电曲线计算的比电容,e) 电化学阻抗图谱,f) NiNTAs@Fe2O3纳米针在100mV/s扫速下的循环性能

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图6.a) NiNTAS@Fe2O3和纳米针和NiNTAS@MnO2纳米片在100mV/s扫速下CV曲线,b) LASC(液态不对称电容器)和c) SASC(固态不对称电容器)在0-1.6V电压窗口不同扫速下CV曲线,d) LASC和SASC质量比电容和面积比电容,e) LASC和SASC不同电流时的压降,f) LASC和SASC的电化学阻抗图谱,g) LASC和SASC在100mV/s扫速下的循环性能


Yang Li, Jing Xu, Tao Feng, Qiaofeng Yao, Jianping Xie, Hui Xia, Fe2O3 Nanoneedles on Ultrafine Nickel Nanotube Arrays as Efficient Anode for High-Performance Asymmetric Supercapacitors, Adv. Funct. Mater., 2017,1606728, DOI: 10.1002/adfm.201606728

 

4、阳离子嵌入和表面修饰助力Ti3C2高的赝电容

金属碳化物由于其优异的化学和物理性能成为有前途的超电电极材料,然而其质量比电容仍然相对较低,需通过增加活性位点浓度来获取高的赝电容。北京大学林建华教授和孙俊良研究员课题组发现对金属碳化物进行阳离子嵌入和表面修饰后可以增大碳化物层间距,并提升电容性能。K+嵌入和表面基团(OH-/F-)去除后,嵌入赝电容比原来提升3倍,质量比电容也显著提升(1A/g电流密度时517F/g,是原来的211%),且循环10000次后电容保持率为99%。

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图7.a) 金属碳化物修饰示意图,b)不同样品的XRD,Ti3C2Tx的SEM图c)和TEM图d),400-KOH-Ti3C2的SEM图e)和TEM图f)

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图8.金属碳化物修饰和未修饰的电化学性能。a) 扫速为1mV/s时的CV曲线,b) 400-KOH-Ti3C2不同电流密度下的充放电曲线,c) 碳化物嵌入其它阳离子时在10mV/s扫速下的CV曲线,d) 1mV/s扫速下不同材料的电容对比,e) 400-KOH-Ti3C2的循环电容保持率,f) 电化学阻抗对比


Jian Li, Xiaotao Yuan, Cong Lin, Yanquan Yang, Le Xu, Xin Du, Jinglin Xie, Jianhua Lin, Junliang Sun, Achieving High Pseudocapacitance of 2D Titanium Carbide (MXene) by Cation Intercalation and Surface Modification, Adv. Energy Mater., 2017, 1602725, DOI:10.1002/aenm.201602725

 

5、Co3O4纳米立方体/Co(OH)2纳米片混合物用于高性能柔性全固态超级电容器

通过简单的一步水热反应制备新型的Co3O4纳米立方体/Co(OH)2纳米片混合物Co3O4纳米立方体形貌尺寸均一,且均匀地分布Co(OH)2纳米片上。这种独特的纳米结构使其用于超级电容器电极表现出增强的耐久性和优异的电容性能,在1.2A/g电流密度下比电容为1164F/g。当与活性炭组装成柔性全固态电容器,表现出9.4mWh/cm^3高的能量密度,且超过5000次循环后电容保持率为97.4%。

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图9.电化学性能测试。a) 10mV/s扫速下的CV曲线,b) 在0.0-0.41V电压窗口1.2A/g电流密度下的充放电曲线,c) 不同电流密度下的比电容,d) 1.2A/g电流密度下的循环性能

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图10.与活性炭组装成柔性全固态电容器的电化学性能。a) 0.5mA/cm^2电流密度下的充放电曲线,b) 不同电流密度下的比电容,c) 0.5mA/cm^2电流密度下的循环性能,d) 不同弯曲状态下的循环性能


Huan Pang, Xinran Li, Qunxing Zhao, Huaiguo Xue, Wen-Yong Lai, Zheng Hu, Wei Huang, One-pot Synthesis of Heterogeneous Co3O4-Nanocube/Co(OH)2-Nanosheet Hybrids for High-Performance Flexible Asymmetric All-Solid-State Supercapacitors, Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.02.044

 

6、石墨阳极氧化剥落制备垂直定向石墨烯纳米片

生长在导电基底上的垂直定向石墨烯纳米片(VOGNs)是电化学双电层电容器最理想的电极,然而高质量的VOGNs的制备依然面临挑战。香港理工大学Wing-TakWong教授课题组利用石墨作为基底,采用阳极氧化剥离石墨的方法在石墨基底上生长VOGNs (G@rGO)。当其组装成对称超级电容器,在6M NaOH电解液中7.5mA/cm^3电流密度下获得高的体积比电容3.9F/cm^3和能量密度0.66Wh/L,并且具有优异的循环和倍率性能。优异的电容性能归因于G@rGO电极的独特结构,促进离子在电解质和石墨烯表面间传输,电荷存储的最小化分布,加速电化学双电层的形成,并且提高了石墨烯的电化学利用率和稳定性。

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图11.a) G@rGO制备示意图,b) 天然石墨、c) G@GO、d) G@rGO的俯视SEM,e) G@rGO 的横截面SEM,f) G@rGO的纵向SEM,g) rGO层的TEM

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图12.a) 100mV/s扫速下石墨氧化不同时间的CV曲线,b) 1mA/cm^2电流密度下石墨氧化不同时间的充放电曲线,c) G@rGO-8(氧化8分钟)不同扫速下的CV曲线,d) G@rGO-8不同电流密度下的充放电曲线,e) G@rGO-8不同电流密度下的面积容量,f) G@rGO-8的电化学阻抗图谱


Liangsheng Hu, Xiang Peng, Yong Li, Lei Wang, Kaifu Huo, Lawrence Yoon Suk Lee, K.Y. Wong, Paul K. Chu, Direct anodic exfoliation of graphite onto high-density aligned graphene for large capacity supercapacitors, Nano Energy, 34 (2017),515–523, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.03.007

 

7、头发也可作为线型超级电容器基底

可穿戴、可拉伸设备的出现促进了线型超级电容器的研究。目前,研究者通常采用金属纤维或者碳基纤维作为基底,而滑铁卢大学Aiping Yu教授课题组另辟蹊径,采用头发丝作为基底,合成同轴头发/Ni/石墨烯/MnO2纤维作为正极材料和同轴头发/Ni/石墨烯纤维作为负极材料,随后组装成柔性线状全固态非对称超级电容器(FSCs)。该合理设计和组装的FSCs展示出非凡的柔韧性和优异的电化学性能,具有宽的电位窗口(1.8V),优异的倍率性能(高达20000mV/s),快速频率响应(t0= 55ms),高的体积能量密度(1.81mWh/cm^3),显著的循环稳定性

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图13.a) 人头发图片,b) 人发微结构存在的化学键,c) GO悬浮液的图片,d) GO悬浮液的SEM,e) GO上存在的不同官能团,f) 电极材料的制备和电容器组装示意图

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图14.a) 100mV/s扫速下不同电位窗口的CV曲线,b,c,d) 不同扫速下的CV曲线,e)不同扫速下的放电电流和相应的体积电容,f) 不同电流密度时的充放电曲线,g) 电化学阻抗图谱,h) 循环容量保持率


Wenwen Liu, Kun Feng, Yining Zhang, Tongwen Yu, Lei Han, Gregory Lui, Matthew Li, Gordon Chiu, Pamela Fung, Aiping Yu, Hair-based flexible knittable supercapacitor with wide operating voltage and ultra-high ratecapability, Nano Energy, 34 (2017), 491–499, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.03.022


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