碳电极表面性质调控及其在水系高电压窗口超级电容器中的应用

发布时间：2021-01-10 08:45

　　有机碳/碳超级电容器虽然具有宽的电压窗口和高的能量密度,但有机电解液存在安全隐患并可能对环境造成污染,因此,人们一直在探索更为安全、环保的超级电容器体系。水系碳/碳超级电容器因具有安全环保、成本低廉等优势引起了广泛关注。但是,由于受到电解液中溶剂水低稳定电势（<1.23 V）的制约,低工作电压窗口限制了水系碳/碳超级电容器能量密度的提升。增加碳电极的析氢和析氧过电势能扩大电极电势,从而拓宽水系碳/碳超级电容器的工作电压窗口。在本论文中,围绕提升碳电极的析氢和析氧过电势进而提高水系碳基超级电容器的稳定工作电压窗口这一核心,我们提出了碳电极表面物化性质调控策略。首先,基于碳材料表面官能团类型和含量调控策略,调控电极表面性质,优化碳电极电荷存储能力。在混酸溶液中,使用电化学氧化法,将活性官能团嫁接在碳纤维布表面,制备出富含氮/氧官能团的碳纤维布电极,碳纤维布的比表面积和孔体积也得到了提升。通过优化实验参数,获得电化学性能最优的碳纤维布电极。其表现出宽的电势范围（-1⁰ V和0⁰.8 V）、高的面积比容量、良好的倍率特性和优异的循环稳定性。组装... 

【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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（a）英国伦敦市雾霾光学照片，（b）中国北京市雾霾光学照片，图片来源于互联网

兰州大学博士学位论文碳电极表面性质调控及其在水系高电压窗口超级电容器中的应用2窗口V是提高其能量密度的有效措施之一。图1-2超级电容器能量密度和功率密度与各类电池的比较（Ragone曲线）[3-5]目前，商用的超级电容器使用有机电解液来获得更高的电压窗口。但是，有机电解液低的离子电导、高的成本、可能的环境污染等缺点为超级电容器的大规模商用埋下了隐患。近些年来，作为候选者的水系电解液受到了研究者的青睐。[7,8]但是，电解液中水溶剂窄的稳定电势范围限制了超级电容器的电压窗口。[9]因此，拓宽水系超级电容器的工作电压窗口则成为提高其能量密度的关键措施之一。1.1超级电容器简介超级电容器由电极、电解液、隔膜、封装材料等构成（图1-3）。电极对超级电容器的比容量大小起到决定性作用。电极通常由电活性材料、导电剂、粘结剂、导电集流体等通过涂覆工艺制备而成，电活性材料一般是固体粉末，有碳材料、金属氧化物/氮化物/磷化物/氢氧化物和导电聚合物等[10,11]；电极也可以通过直接将电活性物质生长在导电集流体表面制备，避免粘结剂对电极性能的影响；电极也可以是一体化自支撑的，例如，还原氧化石墨烯薄膜电极既是导电集流体又是电活性物质。正负极之间注入电解液，为离子/溶剂化离子的传输提供介质通道。电解液决定着超级电容器电压窗口的大小，不同类型的电解液具有不同的电势区间。隔膜置于正负电极之间电解液之中，以避免因正负极直接接触而导致短路。隔膜必须能保证离子的顺利传输，同时还需是电化学惰性。在有外加电压（充电）/负载（放电）的情况下，电解液中的离子/溶剂化的离子在电极/电解液界面吸附（充电）/脱附（放电）或发生可逆的法拉第反应来实现电荷的存储和释放（图1-4）。[12,13]通过电解?

兰州大学博士学位论文碳电极表面性质调控及其在水系高电压窗口超级电容器中的应用3石墨烯等作为电活性材料；通过在电极表面/表层以可逆法拉第反应实现电荷的存储和释放的属于赝电容，一般以金属化合物为电极材料，如二氧化锰、氧化钌等过渡族金属氧化物/氢氧化物。图1-3超级电容器构成示意图（图片来源于网络）图1-4（a）双电层电容器和（b）赝电容器电荷存储机制示意图[12,13]1.1.1非水系超级电容器如上所述，超级电容器低的能量密度限制了其进一步的发展。近些年来，大量的研究工作主要集中在提高电极亦即器件的比容量C，各类电极材料的比容量都有了很大的改善，继续通过提升电极比容量来改善器件的能量密度越来越困难。我们知道，能量密度E和电压窗口V的平方成正比，而与比容量C是线性正比关系，因此，若通过拓宽电压窗口来提升能量密度则更为有效。电容器的电压窗口主要由电解液的稳定电势窗口所决定，而电解液有有机电解液、离子液体电解液、水系电解液等，不同的电解液有不同的稳定电势窗口。电极表面性质和器件构型也对电压窗口有一定的影响。


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