新型高功率型超级电容材料研究获得进展

背景

超级活性碳作为超级电容器的电极材料已经得到了广泛的研究，这主要是超级电容器具有超高功率输出特性，超长寿命，以及较宽的使用温度范围（-20 ~ 80 ℃）。目前研究的主体可以根据电解液类型分为水系和有机系超级电容器。在双电层物理吸脱附机理之上，有机系已经商业化应用，主要是因为其使用电压较高，综合性能显示其能量密度（E=CV²/2）比水系的高。尽管如此，因为水系的高安全性，​使其一直保持较高的研究热度。而水系较窄电压使用范围，如要提高能量密度，必须从提高电荷​储存数量着手。因此，发展了基于氧化还原反应的赝电容材料（比如N，O等掺杂作用）以及相关的电池材料（Ni(OH)₂, Co(OH)₂等）用于超级电容器，其目标很明确，即在保证一定的功率密度下，尽可能的提高能量密度。
    基于此，西安交通大学陈元振、柳永宁团队等从高容量超级活性碳制备，并与常用染料-亚甲基蓝复合，制备了一种具有高功率、高能量密度的超级电容器复合材料。该材料在1Ag^-1电流密度下的比电容为431.8 F g^-1，在180 Ag^-1超高电流密度下仍保持356.1 F g^-1，保持率为82.5%。相关工作以题名为“Functional combination of methylene blue and porous carbon mutually promotes to deliver ultrahigh rate capacitive and energy storage performance”发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal上​。

第一作者：吕光军

通讯作者：陈元振

通讯单位：西安交通大学材料学院

研究结果

1、 无烟煤基超级活性碳的制备及性能。600AC-2:1,3:1,4:1,5:1的样品，在600度活化时，其比表面积分别可以达到1447,2003,2301,1978 m²g^-1。通过比表面积最大原则，选定比例参数。另外，材料的产率较高，即便在很高温度，其产率均在50%以上，这对工业化生产具有重要意义。

图1 无烟煤基超级活性碳的相关表征

2、电容性能优选。600度制备材料表现出较高的比电容、高倍率和长寿命的特点，最优的是600AC-4:1。

图2  600度制备材料的电容性能

3、活化温度优选。在选定比例的基础上，对不同温度下制备材料的电容性能做了研究，综合对比来看， 600AC-4:1具备综合最优性能。

图3 碱碳比为4:1时，不同温度下制得材料的电容性能

4、AC/亚甲基蓝复合材料制备。于是，将AC-4:1材料与亚甲基蓝复合，获得符合材料。有趣的是亚甲基蓝阳离子正好与带负电的活性炭通过静电作用结合，而且在水中反应时不会脱色。通过亚甲基蓝的氧化还原反应提供额外的赝电容，可以提高复合材料的综合电容性能。

图4 活性炭与亚甲基蓝复合材料的制备及相关表征

5、AC/亚甲基蓝复合材料电容性能研究。复合材料的电容性能相比于纯活性炭材料优良更大的提升，倍率性能优异，循环寿命较长。其作用机理是物理吸附与亚甲基蓝的氧化还原反应同时贡献的结果。有趣的是活性炭的导电作用提高了亚甲基蓝的活性，如无活性炭，纯亚甲基蓝在碱溶液中午活性。

图5 AC/亚甲基蓝复合材料的电容性能

6、能量密度最高设计方法论。另外，该工作还提出了一种能量密度最高设计原则和方法论，可以通过充放电曲线的分析和计算，针对不规则充放电曲线材料的最高能量设计原则，最终获得一个精确的正负极质量配比，该方法也可以应用到其他储能器件中。

图6 能量密度最大原则设计方法论

作者介绍

第一作者：吕光军

博士研究生，本硕博-西安交通大学，目前已发表CEJ在内多篇论文，获得授权专利2项

通讯作者：陈元振

副教授，西安交通大学，材料学院。主要从事先进功能碳材料、能量存储与转换和电化学催化的研究与开发，目前以第一/通讯作者在Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，Nano Letters，ACS Nano等国际一流期刊上发表文章70余篇，并以第一发明人获得国家发明专利授权5余项，主持国家自然科学基金、省基金和企业课题项目8项。

主要研究方向： 碳材料基复合材料设计与制备及其在能源器件（超级电容器，二次电池，燃料电池）中的应用研究

• 先进功能碳材料的工业化应用与基础研究，主要包括：人造石墨，石墨烯粉体制备与功能化，超级活性碳（多孔碳材料），石墨烯微米管，柔性碳纤维纸；
• 能量存储与转换，主要包括：Li-S电池，锂离子电池，钠离子电池和超级电容器；
• 低温余热回收与发电系统研究，主要包括：浓差电池，烟气燃料电池，电化学脱硫脱硝技术
• 电化学催化，主要包括：氧还原反应（ORR）催化剂的制备与优化，裂解水催化剂制备与优化（OER 和 HER）