超级电容器的制备和表征

先进储能材料-超级电容器成员：黄刚（SA11019001）阳缘（SA11019901）吴振禹（SA11019006）葛进（SA11019011）王金龙（SA11019003）目录一、背景二、几种超级电容器的制备与表征三、参考文献一、背景1.电容器与电池的比较循环寿命：电池103电容器105～1062.普通电容器的电能存储密度很低，电容量为16～50µF/g,而近几年发展出的超级电容器的电容量高达10～100F/g.1.利用静电积累的方式储存电子（EDLC）：有很好的可逆性，但其受限于电极材料与电解液的界面和材料表面的活性。也可制备出两种超级电容器的复合材料，增强超级电容器的性能。超级电容器一般分为两类：2.利用快速可逆的氧化还原反应储存电子-赝电容（pseudocapitor）：能量密度比EDLC大，但功率密度和循环寿命会随着使用而损耗。二、几种超级电容器的制备与表征1.基于石墨烯—纤维素纸的弹性超级电容器Adv.EnergyMater.2011,1,917–9221.石墨烯—纤维素纸的弹性超级电容器的制备及表征配置石墨烯的悬浮液石墨烯在纤维束纸上真空过滤将纤维素纸翻过来，继续真空过滤制备过程自然干燥，得到样品（GCP）1.石墨烯—纤维素纸的弹性超级电容器的制备及表征SEM、TEM图谱表征可以看出，石墨烯纳米片完全进入到纤维素空隙中，填充了纤维素的空隙，两者紧密的复合在一起。上面左图d是这种超级电容器的形成过程示意图。2.GCP膜弹性测试从上左图可以看出，GCP膜能承受8.67MPa的压力而伸长率为3%，而纯的石墨烯纸（G-Paper）只能承受5.13MPa。右图中显示出GCP膜经过1000次的弯曲，电阻只增加了6%，而G-Paper在200次弯曲就发生断裂。可以得出，这种GCP膜具有良好的弹性，并在弯曲的情况下保持电阻大致不变。3.GCP膜电化学测试在1MH2SO4中测定的CV曲线表现出极好的电容性行为，即使在200mVs−1，时GCP的CV曲线仍然保持矩形。b图可以看出，GCP电极比G-Paper有更好的容量。C图是GCP电极和G-Paper电化学阻抗光谱。d图中循环稳定性表明即使5000次循环后，GCP电极仅0.9%的容量降低，GCP电极表现出良好的长期储存稳定性。4.总结本实验简单的通过使用滤纸真空抽滤石墨烯悬浮液，制成了弹性的GCP膜。这中膜具有极好的弹性和电容量，电储存循环很稳定，是一种具有很好的运用前景的储能材料。2.三维碳纳米管/石墨烯夹心材料及其在超级电容器电极中的应用Adv.Mater.2010,22,3723–3728•引言石墨烯具有独特的电学、热力学和机械性质，作为储能材料、自支撑薄膜、高分子复合材料、液晶材料等性能非常优异，受到全世界科学家的广泛关注。然而石墨烯容易出现不可逆的团聚，丢失其独特的二维形貌。用化学修饰或着静电排斥的方法可以使石墨烯保持良好的二维形貌，但石墨烯原始性能得不到充分的发挥。用碳纳米管作为桥隔离石墨烯，不仅保持石墨烯的二维新貌，其物理化学性能也大大增强。•制备方法将GO分散于水溶液，透析去除多余离子；配制0.5mgml-1GO水溶液，用超声剥离GOCo(NO3)2·6H2O(0.2g)和尿素(0.4g)加入到上述剥离GO溶液，微波加热15min，离心，在石英管中以20℃/min加热到750℃（氩气保护）,保持30分钟，降至室温将CNTs加到H2SO4/HNO3(3:1)，140℃加热1h，离心清洗，再将其加入上述GO溶液中（质量比CNT/GO=1:10），超声,过滤干燥，在750℃（氩气保护）加热1h•材料性质1、SEM表征a–c)SEMimagesandd)TEMimageofCGS(Cocataly-st:16wt%;carbonsource:CO).在SEM中明显看出石墨烯-CNT-石墨烯夹心结构，CNTs均匀稀疏的分布在石墨烯的表面。CNTs之间的距离约为100-200nm，其长度在100nm以内。TEM中显示CNTs为内径在5-7nm之间的多壁结构，外径为7-12nm。Co基催化剂均在CNTs的顶端。2、电化学表征CVresultsmeasuredatscanratesof10,20,50,and100mVs−1.从左图中的-0.2-0.45V的CV曲线可以看出很强的氧化还原峰，显示出很高的氢氧化钴赝电容。电流随着扫描速度的增加而增加说明该CNTs/石墨烯复合电极的电容容量优异。Variationsofspecificcapacitanceversusthecyclenumbermeasuredatascanrateof200mVs−1in6MKOHwithinthepotentialrangefrom−0.2to0.45V(versussaturatedcal-omelelectrode(SCE)).扫描速度为200mVs-1，经过2000次循环，CNTs/石墨烯复合电极的电容比初始状态高20%，这是由于氢氧化钴同复合电极之间的有效界面的增加，说明该复合电极非常稳定，这对将来的实际应用非常关键。3.电化学法制备氧化锰超级电容器电极JournalofPowerSources2008,177,676–680一、研究背景：由于氧化锰具有快速、连续、可逆的氧化还原性能，所以可以作为超级电容器材料。三价态和四价态氧化锰之间的转换所产生的理论电容量是1100F·g−1，但是由于氧化锰中电子和离子较差的导电性，所以研究报导的实验值一般在100-250F·g−1。为提高氧化锰活性及性能一般采取两种技术：(ⅰ)采用阳极Al模板制备锰纳米线，提高其纵横比和表面积。(ⅱ)用CNT制备氧化锰/CNT复合物，获得介孔结构和电子导电线路。本报告介绍技术：(ⅲ)以多孔Ni为基片制备多孔氧化锰。采用技术(ⅰ)(ⅱ)(ⅲ)电容量254F·g−1415F·g−1502F·g−1对比(ⅰ)、(ⅱ)较(ⅲ)具有实验方法复杂且实验价格昂贵的缺点二、实验部分Step1-step2：在1MNiSO4,0.01MCuSO4和0.5MH3BO3（pH=4）溶液中电沉积得到Ni-Cu合金薄膜；Step2-step3：Cu选择性溶解掉剩下多孔结构Ni；Step3-step4：采用阳极沉淀法将0.5MMn(CH3COO)2溶液中的氧化锰沉积到多孔Ni基片上。三、材料表征与性能测定(a)Ni-Cu合金薄膜(b)纳米多孔Ni薄膜(c)多孔氧化锰电极1.SEM表征2.性能测定（1）氧化锰电极循环伏安图电解质为0.1MNa2SO4溶液测试温度为25℃，电压扫描速率5mV/S曲线含义对应计算电容量（F·g−1）a氧化锰在多孔Ni基片上的循环伏安图502b氧化锰在平面Ni基片上的循环伏安图271（2）电极稳定性循环测试图电解质溶液为0.1MNa2SO4溶液，测试温度为25℃，电压扫描速率为5mV/S,电势扫描范围为0-0.9V（vs.SCE）曲线含义循环500次后剩余电容量（%）a氧化锰在多孔Ni基片上的相对电容量-循环次数图93b氧化锰在平面Ni基片上的相对电容量-循环次数图754.基于交织CNT/V2O5纳米线的纳米复合物的高性能超级电容器•Adv.Funct.Mater.2009,19,3420–3426•Adv.Mater.2011,23,791–795一、背景•理想的电能存储设备应同时具有高能量与高功率密度•相比较于电池，超级电容器具有明显的高功率密度•如今最常用的双层电容器的电容一般为100F/g，能量密度为25Wh/kg•与对称性电容器相比较，非对称性电容器具有更高的能量密度•基于交织CNT/V2O5纳米线的纳米复合物的高性能超级电容器电容可超过300F/g，能量密度40Wh/kg,功率密度达210W/kg,甚至在更高的300W/kg功率下，其能量密度仍可达7.0Wh/kg二、交织CNT/V2O5纳米线的纳米复合物合成1、CNT表面改性a)12gCNTs,100mlHNO3(65%)及300mlH2SO4(98%)混合加入烧瓶中，并在剧烈磁力搅拌下回流100min。b)将上述混合物用去离子水稀释，然后过滤，过滤完后重新分散于水中。c)重复第二步，直到滤液显中性。将最终产物放入80℃真空干燥箱中干燥。2、水热法合成交织CNT/V2O5纳米线的纳米复合物将适当量的改性后的CNTs,0.5mlHCl(2M),0.15gNH4VO3以及0.25gP123混合后超声10min，然后磁力搅拌1h，最后将上述混合液加入20ml釜中并置于120℃烘箱中反应24h。反应完成后，将产物分别用水和丙酮洗几次。Figure1.A)含18%CNTs的典型CNT/V2O5纳米复合薄膜的SEM照片，插图展示的是其被1%HF刻蚀后的SEM照片;B)V2O5纳米线的TEM照片及其HRTEM照片（插图）Fig2.基于CNTs和V2O5纳米线穿插网状结构制备的原理图三、性质表征Figure3.A)以a)V2O5纳米线,b)CNT/V2O5纳米复合物,andc)CNTs所制成的电极在2mV/s的扫描速率下的CV图.B)存储能力比较：V2O5纳米线(■),CNT/V2O5纳米复合物(•),CNTs(▲),以及CNT与V2O5纳米线仅作简单复合的复合物(▽).Figure4.在2.7V电池电压下的长期循环性能：a)纳米复合物做阳极，活性炭做阴极b)阴阳极均为活性炭.三、参考文献Adv.EnergyMater.2011,1,917–922Adv.Mater.2010,22,3723–3728JournalofPowerSources2008,177,676–680Adv.Funct.Mater.2009,19,3420–3426Adv.Mater.2011,23,791–795