自支撐的活性碳布/MnO 2 /碳納米管/聚苯胺復(fù)合電極用于高性能超級電容器的研究
發(fā)布時間：2021-12-19 14:10
以活性碳布為基底并依次負(fù)載MnO2、碳納米管和聚苯胺,制備了一種高性能、自支撐的超級電容器電極。研究了電極組成、微觀形貌等因素對電極電學(xué)和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:活性碳纖維、MnO2和聚苯胺作為電化學(xué)活性物質(zhì)能夠均勻地分散于電極內(nèi)部,碳纖維和碳納米管則作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò);該電極質(zhì)量比電容可達193F/g（基于整個電極質(zhì)量計算）,顯著高于純活性碳布、活性碳布/MnO2復(fù)合電極以及先前報道的多種電極;同時該復(fù)合電極表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。可為優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)以制備具有高儲能密度的超級電容器提供新的借鑒。
【文章來源】：化工新型材料. 2020,48(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
ACFC、FM、FMC和FMCP的電導(dǎo)率對比圖
ACFC、FM、FMC和FMCP分別組裝的對稱型扣式超級電容器的CV曲線見圖3。由圖可見，活性碳纖維為典型的雙電層電容材料[10-11]，因而ACFC的CV曲線在低掃速下具有類矩形，2mV/s掃速下電極的質(zhì)量比電容為148F/g（換算成面積比電容為1872mF/cm2）；當(dāng)掃速增大至100mV/s時，CV曲線出現(xiàn)一定程度變形，表明ACFC電極的倍率性能不佳。對于FM，其在2mV/s下的質(zhì)量比電容可提高至169F/g，這得益于MnO2納米片提供的較大贗電容[13]；然而，在高的掃速下，CV曲線變形嚴(yán)重、質(zhì)量比電容值顯著降低，顯示出差的倍率性能，這與FM的低電導(dǎo)率有關(guān)。如上所述，碳納米管的引入能夠改善電極的電學(xué)性能，這就使得FMC展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。值得一提的是，由于商用化多壁碳納米管自身電化學(xué)性能差[15-16]，所以碳納米管的引入反而使得FMC復(fù)合電極在低掃速下的質(zhì)量比電容略有降低。聚苯胺是一種典型的贗電容材料，具有理論比電容高、導(dǎo)電性好等優(yōu)點[17-18]，因而沉積聚苯胺后，F(xiàn)M-CP復(fù)合電極的電化學(xué)性能得到進一步改善，其在2mV/s掃速下質(zhì)量比電容達到了193F/g（換算成面積比電容為3284mF/cm2），并且保持了較好的倍率性能：在100mV/s掃速下，F(xiàn)MCP復(fù)合電極的質(zhì)量比電容相比ACFC、FM復(fù)合電極以及FMC復(fù)合電極分別高出229%、824%和42%。
FMCP電極組裝的對稱型扣式超級電容器的GCD曲線和能量密度-功率密度曲線見圖4。通過恒電流充放電測試[圖4(a）]可見，當(dāng)充放電電流從2mA/cm2增至50mA/cm2時，F(xiàn)MCP復(fù)合電極的比電容保持率為87%，再次表明其倍率性能優(yōu)異。以該電極組裝的對稱型扣式超級電容器，最高可提供6.0Wh/kg的質(zhì)量比能量，此時功率密度為29.3W/kg；當(dāng)功率密度為1173W/kg時，能量密度仍可達到3.2Wh/kg[圖4(b）]。相比之下，ACFC組裝的對稱型扣式超級電容器對外輸出的最高能量僅為1.9Wh/kg。前文已指出，先前報道的碳纖維布基自支撐電極整體質(zhì)量比電容往往很低，因而儲能密度也不高。本實驗所制FMCP復(fù)合電極具有高儲能密度的原因可概括為以下幾點：（1）在該電極中，活性碳布基底自身具有較高的電化學(xué)活性（與先前采用的普通碳布基底相比）；（2）除了活性碳布基底，負(fù)載的MnO2和聚苯胺都具有高的贗電容；（3）活性碳纖維與碳納米管形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)保證了電子在電極內(nèi)部的有效傳輸，從而有利于活性物質(zhì)更好地發(fā)揮電化學(xué)性能。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]超級電容器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 余麗麗,朱俊杰,趙景泰. 自然雜志. 2015(03)
[2]聚苯胺納米復(fù)合材料在超級電容器中的應(yīng)用[J]. 索隴寧,尚秀麗,伍家衛(wèi),吳海霞,呂維華. 化工新型材料. 2014(07)
[3]瀝青基活性碳纖維的電容特性[J]. 陳秋飛,張學(xué)軍,田艷紅. 北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2008(02)
[4]導(dǎo)電聚苯胺電極材料在超級電容器中的應(yīng)用及研究進展[J]. 李晶,賴延清,李頡,劉業(yè)翔. 材料導(dǎo)報. 2006(12)
本文編號：3544555
【文章來源】：化工新型材料. 2020,48(02)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
ACFC、FM、FMC和FMCP的電導(dǎo)率對比圖
ACFC、FM、FMC和FMCP分別組裝的對稱型扣式超級電容器的CV曲線見圖3。由圖可見，活性碳纖維為典型的雙電層電容材料[10-11]，因而ACFC的CV曲線在低掃速下具有類矩形，2mV/s掃速下電極的質(zhì)量比電容為148F/g（換算成面積比電容為1872mF/cm2）；當(dāng)掃速增大至100mV/s時，CV曲線出現(xiàn)一定程度變形，表明ACFC電極的倍率性能不佳。對于FM，其在2mV/s下的質(zhì)量比電容可提高至169F/g，這得益于MnO2納米片提供的較大贗電容[13]；然而，在高的掃速下，CV曲線變形嚴(yán)重、質(zhì)量比電容值顯著降低，顯示出差的倍率性能，這與FM的低電導(dǎo)率有關(guān)。如上所述，碳納米管的引入能夠改善電極的電學(xué)性能，這就使得FMC展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。值得一提的是，由于商用化多壁碳納米管自身電化學(xué)性能差[15-16]，所以碳納米管的引入反而使得FMC復(fù)合電極在低掃速下的質(zhì)量比電容略有降低。聚苯胺是一種典型的贗電容材料，具有理論比電容高、導(dǎo)電性好等優(yōu)點[17-18]，因而沉積聚苯胺后，F(xiàn)M-CP復(fù)合電極的電化學(xué)性能得到進一步改善，其在2mV/s掃速下質(zhì)量比電容達到了193F/g（換算成面積比電容為3284mF/cm2），并且保持了較好的倍率性能：在100mV/s掃速下，F(xiàn)MCP復(fù)合電極的質(zhì)量比電容相比ACFC、FM復(fù)合電極以及FMC復(fù)合電極分別高出229%、824%和42%。
FMCP電極組裝的對稱型扣式超級電容器的GCD曲線和能量密度-功率密度曲線見圖4。通過恒電流充放電測試[圖4(a）]可見，當(dāng)充放電電流從2mA/cm2增至50mA/cm2時，F(xiàn)MCP復(fù)合電極的比電容保持率為87%，再次表明其倍率性能優(yōu)異。以該電極組裝的對稱型扣式超級電容器，最高可提供6.0Wh/kg的質(zhì)量比能量，此時功率密度為29.3W/kg；當(dāng)功率密度為1173W/kg時，能量密度仍可達到3.2Wh/kg[圖4(b）]。相比之下，ACFC組裝的對稱型扣式超級電容器對外輸出的最高能量僅為1.9Wh/kg。前文已指出，先前報道的碳纖維布基自支撐電極整體質(zhì)量比電容往往很低，因而儲能密度也不高。本實驗所制FMCP復(fù)合電極具有高儲能密度的原因可概括為以下幾點：（1）在該電極中，活性碳布基底自身具有較高的電化學(xué)活性（與先前采用的普通碳布基底相比）；（2）除了活性碳布基底，負(fù)載的MnO2和聚苯胺都具有高的贗電容；（3）活性碳纖維與碳納米管形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)保證了電子在電極內(nèi)部的有效傳輸，從而有利于活性物質(zhì)更好地發(fā)揮電化學(xué)性能。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]超級電容器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 余麗麗,朱俊杰,趙景泰. 自然雜志. 2015(03)
[2]聚苯胺納米復(fù)合材料在超級電容器中的應(yīng)用[J]. 索隴寧,尚秀麗,伍家衛(wèi),吳海霞,呂維華. 化工新型材料. 2014(07)
[3]瀝青基活性碳纖維的電容特性[J]. 陳秋飛,張學(xué)軍,田艷紅. 北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2008(02)
[4]導(dǎo)電聚苯胺電極材料在超級電容器中的應(yīng)用及研究進展[J]. 李晶,賴延清,李頡,劉業(yè)翔. 材料導(dǎo)報. 2006(12)
本文編號：3544555
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