基于檸檬酸鹽自模板法碳納米片的制備及其在鈉離子電容器中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2020-12-17 02:15
由于電容型材料較低的比電容使得提高鈉離子電容器（SICs）的能量密度成為目前研究的一大挑戰(zhàn).在此,文中通過直接碳化檸檬酸鈉和檸檬酸鉀制備了具有不同孔徑分布的碳納米片.所得的2種碳材料分別作為負(fù)極材料和正極材料時(shí)都表現(xiàn)出高的倍率性能和長的循環(huán)壽命.為了彌補(bǔ)電容材料比電容低的缺陷,以NaI作為氧化還原添加劑提供額外的容量.相比于未添加劑的SICs,NaI的加入可將SICs的能量密度從84.3 Wh·kg-1提高到118.1 Wh·kg-1,同時(shí),功率密度最大可達(dá)40 kW·kg-1.在充放電循環(huán)10 000圈后,SICs的比容量仍可保持初始值的74%.這一策略對提升電化學(xué)儲(chǔ)能器件的能量密度具有重要的指導(dǎo)意義.
【文章來源】：西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020年02期 北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
CN和CK樣品的微觀形貌圖
采用三電極體系對2種碳材料的電化學(xué)性能進(jìn)行研究.圖3為CN負(fù)極和CK正極的電化學(xué)性能圖.圖3a為CN負(fù)極的CV曲線,在第1圈的CV曲線中位于0.5 V處有一個(gè)明顯的還原峰,這對應(yīng)于固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)的形成[21].而第2圈和第3圈的CV曲線基本重合,說明電極已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).圖3b為CN負(fù)極的GCD曲線,可以看到第1圈充放電過程中,放電容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電容量,這是由于SEI膜的形成導(dǎo)致的不可逆容量.通過不同電流密度測試CN負(fù)極的倍率性能,從圖3c的電流密度和比容量曲線圖可以看出, CN負(fù)極具有良好的倍率性能,當(dāng)電流密度返回到1 A·g-1和2 A·g-1時(shí),其比容量仍然可以得到保持,表明該電極材料具有優(yōu)異的穩(wěn)定性.圖3d為CK正極在不同掃描速率下的CV曲線,可看到所有的CV曲線類似于矩形狀,說明該材料具有典型的電容行為.在不同電流密度下對其進(jìn)行充放電測試,如圖3e所示.經(jīng)計(jì)算,當(dāng)電流密度為0.5 A·g-1時(shí),CK正極的比電容為166.7 F·g-1;當(dāng)電流密度增大到10 A·g-1時(shí),其比電容可保持為0.5 A·g-1時(shí)的75%,意味著該材料具有良好的倍率性能.這可歸功于碳材料特殊的微觀結(jié)構(gòu),便于電解液離子的吸脫附.在1 A·g-1的電流密度下對CK正極進(jìn)行充放電循環(huán)測試,如圖f所示,經(jīng)過10 000圈循環(huán),CK正極的比容量無明顯衰減,表明其具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性.基于正負(fù)極材料優(yōu)異的電化學(xué)性能,文中構(gòu)筑了SICs,同時(shí),在電解液中引入NaI作為活性添加劑以彌補(bǔ)正極材料比電容低的缺陷.圖4為2種SICs的電化學(xué)性能圖.圖4a所示,該SICs的工作電壓可達(dá)4.0 V,同時(shí),相比于無活性添加劑的SICs的CV曲線,添加NaI后,CV曲線面積有明顯的增大,說明其比容量得到有效的提升,其中曲線中的氧化還原峰對應(yīng)于I-與I-3之間的可逆反應(yīng)[22-23].從圖4b中SICs的充放電曲線可得,添加NaI后,在0.5 A·g-1的電流密度下,其比電容從37.9 F·g-1增大到53.1 F·g-1.圖4c為電流密度與比電容的關(guān)系曲線圖,對比發(fā)現(xiàn),在添加NaI后,不僅比電容得到提升,其倍率性能也得到一定程度的提升,說明NaI的氧化還原反應(yīng)具有優(yōu)異的可逆性, 不會(huì)對電解液離子的擴(kuò)散產(chǎn)生副作用.圖4d為SICs的能量密度和功率密度圖,可以明顯地看到,在添加5 mmol·L-1的NaI后,SICs的能量密度得到有效的提升,可從84.3 Wh·kg-1擴(kuò)大到118.1 Wh·kg-1.同時(shí),SICs的最大功率密度可達(dá)40 kW·kg-1,意味著SICs在10 A·g-1的電流密度下進(jìn)行一次充電所需時(shí)間僅為5.5 s,遠(yuǎn)快于目前商業(yè)化的鋰離子電池.
以檸檬酸鹽為前驅(qū)體,經(jīng)直接碳化得到具有不同孔徑分布的2種碳材料CN和CK.經(jīng)BET、拉曼和XPS光譜分析發(fā)現(xiàn),檸檬酸鉀衍生碳具有較高的比表面積和高的缺陷程度,有利于電解液離子的吸附.電化學(xué)測試表明,CN負(fù)極和CK正極都具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,包括高的倍率性能和良好的穩(wěn)定性.為了提高SICs的能量密度,引入NaI活性添加劑,測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),NaI的引入顯著提高了SICs的能量密度且不犧牲其功率密度.經(jīng)過10 000圈循環(huán),其比容量仍能保持初始值的74%,且具有高的庫侖效率.此策略對提高離子電容器的能量密度具有重要的指導(dǎo)意義.圖5 SICs的循環(huán)性能
本文編號(hào)：2921226
【文章來源】：西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020年02期 北大核心
【文章頁數(shù)】：7 頁
【部分圖文】：
CN和CK樣品的微觀形貌圖
采用三電極體系對2種碳材料的電化學(xué)性能進(jìn)行研究.圖3為CN負(fù)極和CK正極的電化學(xué)性能圖.圖3a為CN負(fù)極的CV曲線,在第1圈的CV曲線中位于0.5 V處有一個(gè)明顯的還原峰,這對應(yīng)于固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)的形成[21].而第2圈和第3圈的CV曲線基本重合,說明電極已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).圖3b為CN負(fù)極的GCD曲線,可以看到第1圈充放電過程中,放電容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于充電容量,這是由于SEI膜的形成導(dǎo)致的不可逆容量.通過不同電流密度測試CN負(fù)極的倍率性能,從圖3c的電流密度和比容量曲線圖可以看出, CN負(fù)極具有良好的倍率性能,當(dāng)電流密度返回到1 A·g-1和2 A·g-1時(shí),其比容量仍然可以得到保持,表明該電極材料具有優(yōu)異的穩(wěn)定性.圖3d為CK正極在不同掃描速率下的CV曲線,可看到所有的CV曲線類似于矩形狀,說明該材料具有典型的電容行為.在不同電流密度下對其進(jìn)行充放電測試,如圖3e所示.經(jīng)計(jì)算,當(dāng)電流密度為0.5 A·g-1時(shí),CK正極的比電容為166.7 F·g-1;當(dāng)電流密度增大到10 A·g-1時(shí),其比電容可保持為0.5 A·g-1時(shí)的75%,意味著該材料具有良好的倍率性能.這可歸功于碳材料特殊的微觀結(jié)構(gòu),便于電解液離子的吸脫附.在1 A·g-1的電流密度下對CK正極進(jìn)行充放電循環(huán)測試,如圖f所示,經(jīng)過10 000圈循環(huán),CK正極的比容量無明顯衰減,表明其具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性.基于正負(fù)極材料優(yōu)異的電化學(xué)性能,文中構(gòu)筑了SICs,同時(shí),在電解液中引入NaI作為活性添加劑以彌補(bǔ)正極材料比電容低的缺陷.圖4為2種SICs的電化學(xué)性能圖.圖4a所示,該SICs的工作電壓可達(dá)4.0 V,同時(shí),相比于無活性添加劑的SICs的CV曲線,添加NaI后,CV曲線面積有明顯的增大,說明其比容量得到有效的提升,其中曲線中的氧化還原峰對應(yīng)于I-與I-3之間的可逆反應(yīng)[22-23].從圖4b中SICs的充放電曲線可得,添加NaI后,在0.5 A·g-1的電流密度下,其比電容從37.9 F·g-1增大到53.1 F·g-1.圖4c為電流密度與比電容的關(guān)系曲線圖,對比發(fā)現(xiàn),在添加NaI后,不僅比電容得到提升,其倍率性能也得到一定程度的提升,說明NaI的氧化還原反應(yīng)具有優(yōu)異的可逆性, 不會(huì)對電解液離子的擴(kuò)散產(chǎn)生副作用.圖4d為SICs的能量密度和功率密度圖,可以明顯地看到,在添加5 mmol·L-1的NaI后,SICs的能量密度得到有效的提升,可從84.3 Wh·kg-1擴(kuò)大到118.1 Wh·kg-1.同時(shí),SICs的最大功率密度可達(dá)40 kW·kg-1,意味著SICs在10 A·g-1的電流密度下進(jìn)行一次充電所需時(shí)間僅為5.5 s,遠(yuǎn)快于目前商業(yè)化的鋰離子電池.
以檸檬酸鹽為前驅(qū)體,經(jīng)直接碳化得到具有不同孔徑分布的2種碳材料CN和CK.經(jīng)BET、拉曼和XPS光譜分析發(fā)現(xiàn),檸檬酸鉀衍生碳具有較高的比表面積和高的缺陷程度,有利于電解液離子的吸附.電化學(xué)測試表明,CN負(fù)極和CK正極都具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,包括高的倍率性能和良好的穩(wěn)定性.為了提高SICs的能量密度,引入NaI活性添加劑,測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),NaI的引入顯著提高了SICs的能量密度且不犧牲其功率密度.經(jīng)過10 000圈循環(huán),其比容量仍能保持初始值的74%,且具有高的庫侖效率.此策略對提高離子電容器的能量密度具有重要的指導(dǎo)意義.圖5 SICs的循環(huán)性能
本文編號(hào)：2921226
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