基于柠檬酸盐自模板法碳纳米片的制备及其在钠离子电容器中的应用
发布时间：2020-12-17 02:15
由于电容型材料较低的比电容使得提高钠离子电容器（SICs）的能量密度成为目前研究的一大挑战.在此,文中通过直接碳化柠檬酸钠和柠檬酸钾制备了具有不同孔径分布的碳纳米片.所得的2种碳材料分别作为负极材料和正极材料时都表现出高的倍率性能和长的循环寿命.为了弥补电容材料比电容低的缺陷,以NaI作为氧化还原添加剂提供额外的容量.相比于未添加剂的SICs,NaI的加入可将SICs的能量密度从84.3 Wh·kg-1提高到118.1 Wh·kg-1,同时,功率密度最大可达40 kW·kg-1.在充放电循环10 000圈后,SICs的比容量仍可保持初始值的74%.这一策略对提升电化学储能器件的能量密度具有重要的指导意义.
【文章来源】：西北师范大学学报(自然科学版). 2020年02期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
CN和CK样品的微观形貌图
采用三电极体系对2种碳材料的电化学性能进行研究.图3为CN负极和CK正极的电化学性能图.图3a为CN负极的CV曲线,在第1圈的CV曲线中位于0.5 V处有一个明显的还原峰,这对应于固态电解质界面(SEI)的形成[21].而第2圈和第3圈的CV曲线基本重合,说明电极已达到稳定状态.图3b为CN负极的GCD曲线,可以看到第1圈充放电过程中,放电容量远远大于充电容量,这是由于SEI膜的形成导致的不可逆容量.通过不同电流密度测试CN负极的倍率性能,从图3c的电流密度和比容量曲线图可以看出, CN负极具有良好的倍率性能,当电流密度返回到1 A·g-1和2 A·g-1时,其比容量仍然可以得到保持,表明该电极材料具有优异的稳定性.图3d为CK正极在不同扫描速率下的CV曲线,可看到所有的CV曲线类似于矩形状,说明该材料具有典型的电容行为.在不同电流密度下对其进行充放电测试,如图3e所示.经计算,当电流密度为0.5 A·g-1时,CK正极的比电容为166.7 F·g-1;当电流密度增大到10 A·g-1时,其比电容可保持为0.5 A·g-1时的75%,意味着该材料具有良好的倍率性能.这可归功于碳材料特殊的微观结构,便于电解液离子的吸脱附.在1 A·g-1的电流密度下对CK正极进行充放电循环测试,如图f所示,经过10 000圈循环,CK正极的比容量无明显衰减,表明其具有优异的循环稳定性.基于正负极材料优异的电化学性能,文中构筑了SICs,同时,在电解液中引入NaI作为活性添加剂以弥补正极材料比电容低的缺陷.图4为2种SICs的电化学性能图.图4a所示,该SICs的工作电压可达4.0 V,同时,相比于无活性添加剂的SICs的CV曲线,添加NaI后,CV曲线面积有明显的增大,说明其比容量得到有效的提升,其中曲线中的氧化还原峰对应于I-与I-3之间的可逆反应[22-23].从图4b中SICs的充放电曲线可得,添加NaI后,在0.5 A·g-1的电流密度下,其比电容从37.9 F·g-1增大到53.1 F·g-1.图4c为电流密度与比电容的关系曲线图,对比发现,在添加NaI后,不仅比电容得到提升,其倍率性能也得到一定程度的提升,说明NaI的氧化还原反应具有优异的可逆性, 不会对电解液离子的扩散产生副作用.图4d为SICs的能量密度和功率密度图,可以明显地看到,在添加5 mmol·L-1的NaI后,SICs的能量密度得到有效的提升,可从84.3 Wh·kg-1扩大到118.1 Wh·kg-1.同时,SICs的最大功率密度可达40 kW·kg-1,意味着SICs在10 A·g-1的电流密度下进行一次充电所需时间仅为5.5 s,远快于目前商业化的锂离子电池.
以柠檬酸盐为前驱体,经直接碳化得到具有不同孔径分布的2种碳材料CN和CK.经BET、拉曼和XPS光谱分析发现,柠檬酸钾衍生碳具有较高的比表面积和高的缺陷程度,有利于电解液离子的吸附.电化学测试表明,CN负极和CK正极都具有优异的电化学性能,包括高的倍率性能和良好的稳定性.为了提高SICs的能量密度,引入NaI活性添加剂,测试结果发现,NaI的引入显著提高了SICs的能量密度且不牺牲其功率密度.经过10 000圈循环,其比容量仍能保持初始值的74%,且具有高的库仑效率.此策略对提高离子电容器的能量密度具有重要的指导意义.图5 SICs的循环性能
本文编号：2921226
【文章来源】：西北师范大学学报(自然科学版). 2020年02期 北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
CN和CK样品的微观形貌图
采用三电极体系对2种碳材料的电化学性能进行研究.图3为CN负极和CK正极的电化学性能图.图3a为CN负极的CV曲线,在第1圈的CV曲线中位于0.5 V处有一个明显的还原峰,这对应于固态电解质界面(SEI)的形成[21].而第2圈和第3圈的CV曲线基本重合,说明电极已达到稳定状态.图3b为CN负极的GCD曲线,可以看到第1圈充放电过程中,放电容量远远大于充电容量,这是由于SEI膜的形成导致的不可逆容量.通过不同电流密度测试CN负极的倍率性能,从图3c的电流密度和比容量曲线图可以看出, CN负极具有良好的倍率性能,当电流密度返回到1 A·g-1和2 A·g-1时,其比容量仍然可以得到保持,表明该电极材料具有优异的稳定性.图3d为CK正极在不同扫描速率下的CV曲线,可看到所有的CV曲线类似于矩形状,说明该材料具有典型的电容行为.在不同电流密度下对其进行充放电测试,如图3e所示.经计算,当电流密度为0.5 A·g-1时,CK正极的比电容为166.7 F·g-1;当电流密度增大到10 A·g-1时,其比电容可保持为0.5 A·g-1时的75%,意味着该材料具有良好的倍率性能.这可归功于碳材料特殊的微观结构,便于电解液离子的吸脱附.在1 A·g-1的电流密度下对CK正极进行充放电循环测试,如图f所示,经过10 000圈循环,CK正极的比容量无明显衰减,表明其具有优异的循环稳定性.基于正负极材料优异的电化学性能,文中构筑了SICs,同时,在电解液中引入NaI作为活性添加剂以弥补正极材料比电容低的缺陷.图4为2种SICs的电化学性能图.图4a所示,该SICs的工作电压可达4.0 V,同时,相比于无活性添加剂的SICs的CV曲线,添加NaI后,CV曲线面积有明显的增大,说明其比容量得到有效的提升,其中曲线中的氧化还原峰对应于I-与I-3之间的可逆反应[22-23].从图4b中SICs的充放电曲线可得,添加NaI后,在0.5 A·g-1的电流密度下,其比电容从37.9 F·g-1增大到53.1 F·g-1.图4c为电流密度与比电容的关系曲线图,对比发现,在添加NaI后,不仅比电容得到提升,其倍率性能也得到一定程度的提升,说明NaI的氧化还原反应具有优异的可逆性, 不会对电解液离子的扩散产生副作用.图4d为SICs的能量密度和功率密度图,可以明显地看到,在添加5 mmol·L-1的NaI后,SICs的能量密度得到有效的提升,可从84.3 Wh·kg-1扩大到118.1 Wh·kg-1.同时,SICs的最大功率密度可达40 kW·kg-1,意味着SICs在10 A·g-1的电流密度下进行一次充电所需时间仅为5.5 s,远快于目前商业化的锂离子电池.
以柠檬酸盐为前驱体,经直接碳化得到具有不同孔径分布的2种碳材料CN和CK.经BET、拉曼和XPS光谱分析发现,柠檬酸钾衍生碳具有较高的比表面积和高的缺陷程度,有利于电解液离子的吸附.电化学测试表明,CN负极和CK正极都具有优异的电化学性能,包括高的倍率性能和良好的稳定性.为了提高SICs的能量密度,引入NaI活性添加剂,测试结果发现,NaI的引入显著提高了SICs的能量密度且不牺牲其功率密度.经过10 000圈循环,其比容量仍能保持初始值的74%,且具有高的库仑效率.此策略对提高离子电容器的能量密度具有重要的指导意义.图5 SICs的循环性能
本文编号：2921226
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