自支撑的活性碳布/MnO 2 /碳纳米管/聚苯胺复合电极用于高性能超级电容器的研究
发布时间：2021-12-19 14:10
以活性碳布为基底并依次负载MnO2、碳纳米管和聚苯胺,制备了一种高性能、自支撑的超级电容器电极。研究了电极组成、微观形貌等因素对电极电学和电化学性能的影响。结果表明:活性碳纤维、MnO2和聚苯胺作为电化学活性物质能够均匀地分散于电极内部,碳纤维和碳纳米管则作为导电网络;该电极质量比电容可达193F/g（基于整个电极质量计算）,显著高于纯活性碳布、活性碳布/MnO2复合电极以及先前报道的多种电极;同时该复合电极表现出优异的倍率性能和循环稳定性。可为优化电极结构以制备具有高储能密度的超级电容器提供新的借鉴。
【文章来源】：化工新型材料. 2020,48(02)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
ACFC、FM、FMC和FMCP的电导率对比图
ACFC、FM、FMC和FMCP分别组装的对称型扣式超级电容器的CV曲线见图3。由图可见，活性碳纤维为典型的双电层电容材料[10-11]，因而ACFC的CV曲线在低扫速下具有类矩形，2mV/s扫速下电极的质量比电容为148F/g（换算成面积比电容为1872mF/cm2）；当扫速增大至100mV/s时，CV曲线出现一定程度变形，表明ACFC电极的倍率性能不佳。对于FM，其在2mV/s下的质量比电容可提高至169F/g，这得益于MnO2纳米片提供的较大赝电容[13]；然而，在高的扫速下，CV曲线变形严重、质量比电容值显著降低，显示出差的倍率性能，这与FM的低电导率有关。如上所述，碳纳米管的引入能够改善电极的电学性能，这就使得FMC展现出优异的倍率性能。值得一提的是，由于商用化多壁碳纳米管自身电化学性能差[15-16]，所以碳纳米管的引入反而使得FMC复合电极在低扫速下的质量比电容略有降低。聚苯胺是一种典型的赝电容材料，具有理论比电容高、导电性好等优点[17-18]，因而沉积聚苯胺后，FM-CP复合电极的电化学性能得到进一步改善，其在2mV/s扫速下质量比电容达到了193F/g（换算成面积比电容为3284mF/cm2），并且保持了较好的倍率性能：在100mV/s扫速下，FMCP复合电极的质量比电容相比ACFC、FM复合电极以及FMC复合电极分别高出229%、824%和42%。
FMCP电极组装的对称型扣式超级电容器的GCD曲线和能量密度-功率密度曲线见图4。通过恒电流充放电测试[图4(a）]可见，当充放电电流从2mA/cm2增至50mA/cm2时，FMCP复合电极的比电容保持率为87%，再次表明其倍率性能优异。以该电极组装的对称型扣式超级电容器，最高可提供6.0Wh/kg的质量比能量，此时功率密度为29.3W/kg；当功率密度为1173W/kg时，能量密度仍可达到3.2Wh/kg[图4(b）]。相比之下，ACFC组装的对称型扣式超级电容器对外输出的最高能量仅为1.9Wh/kg。前文已指出，先前报道的碳纤维布基自支撑电极整体质量比电容往往很低，因而储能密度也不高。本实验所制FMCP复合电极具有高储能密度的原因可概括为以下几点：（1）在该电极中，活性碳布基底自身具有较高的电化学活性（与先前采用的普通碳布基底相比）；（2）除了活性碳布基底，负载的MnO2和聚苯胺都具有高的赝电容；（3）活性碳纤维与碳纳米管形成的导电网络保证了电子在电极内部的有效传输，从而有利于活性物质更好地发挥电化学性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器的现状及发展趋势[J]. 余丽丽,朱俊杰,赵景泰. 自然杂志. 2015(03)
[2]聚苯胺纳米复合材料在超级电容器中的应用[J]. 索陇宁,尚秀丽,伍家卫,吴海霞,吕维华. 化工新型材料. 2014(07)
[3]沥青基活性碳纤维的电容特性[J]. 陈秋飞,张学军,田艳红. 北京化工大学学报(自然科学版). 2008(02)
[4]导电聚苯胺电极材料在超级电容器中的应用及研究进展[J]. 李晶,赖延清,李颉,刘业翔. 材料导报. 2006(12)
本文编号：3544555
【文章来源】：化工新型材料. 2020,48(02)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
ACFC、FM、FMC和FMCP的电导率对比图
ACFC、FM、FMC和FMCP分别组装的对称型扣式超级电容器的CV曲线见图3。由图可见，活性碳纤维为典型的双电层电容材料[10-11]，因而ACFC的CV曲线在低扫速下具有类矩形，2mV/s扫速下电极的质量比电容为148F/g（换算成面积比电容为1872mF/cm2）；当扫速增大至100mV/s时，CV曲线出现一定程度变形，表明ACFC电极的倍率性能不佳。对于FM，其在2mV/s下的质量比电容可提高至169F/g，这得益于MnO2纳米片提供的较大赝电容[13]；然而，在高的扫速下，CV曲线变形严重、质量比电容值显著降低，显示出差的倍率性能，这与FM的低电导率有关。如上所述，碳纳米管的引入能够改善电极的电学性能，这就使得FMC展现出优异的倍率性能。值得一提的是，由于商用化多壁碳纳米管自身电化学性能差[15-16]，所以碳纳米管的引入反而使得FMC复合电极在低扫速下的质量比电容略有降低。聚苯胺是一种典型的赝电容材料，具有理论比电容高、导电性好等优点[17-18]，因而沉积聚苯胺后，FM-CP复合电极的电化学性能得到进一步改善，其在2mV/s扫速下质量比电容达到了193F/g（换算成面积比电容为3284mF/cm2），并且保持了较好的倍率性能：在100mV/s扫速下，FMCP复合电极的质量比电容相比ACFC、FM复合电极以及FMC复合电极分别高出229%、824%和42%。
FMCP电极组装的对称型扣式超级电容器的GCD曲线和能量密度-功率密度曲线见图4。通过恒电流充放电测试[图4(a）]可见，当充放电电流从2mA/cm2增至50mA/cm2时，FMCP复合电极的比电容保持率为87%，再次表明其倍率性能优异。以该电极组装的对称型扣式超级电容器，最高可提供6.0Wh/kg的质量比能量，此时功率密度为29.3W/kg；当功率密度为1173W/kg时，能量密度仍可达到3.2Wh/kg[图4(b）]。相比之下，ACFC组装的对称型扣式超级电容器对外输出的最高能量仅为1.9Wh/kg。前文已指出，先前报道的碳纤维布基自支撑电极整体质量比电容往往很低，因而储能密度也不高。本实验所制FMCP复合电极具有高储能密度的原因可概括为以下几点：（1）在该电极中，活性碳布基底自身具有较高的电化学活性（与先前采用的普通碳布基底相比）；（2）除了活性碳布基底，负载的MnO2和聚苯胺都具有高的赝电容；（3）活性碳纤维与碳纳米管形成的导电网络保证了电子在电极内部的有效传输，从而有利于活性物质更好地发挥电化学性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器的现状及发展趋势[J]. 余丽丽,朱俊杰,赵景泰. 自然杂志. 2015(03)
[2]聚苯胺纳米复合材料在超级电容器中的应用[J]. 索陇宁,尚秀丽,伍家卫,吴海霞,吕维华. 化工新型材料. 2014(07)
[3]沥青基活性碳纤维的电容特性[J]. 陈秋飞,张学军,田艳红. 北京化工大学学报(自然科学版). 2008(02)
[4]导电聚苯胺电极材料在超级电容器中的应用及研究进展[J]. 李晶,赖延清,李颉,刘业翔. 材料导报. 2006(12)
本文编号：3544555
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