活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭陰極與氧化鎳陽極制成超級電容器

　　理想中的儲能設備的開發對未來發展非常重要。電化學電容器(也稱為超級電容器)因其極高的比功率、出色的延長壽命和快速充放電速率而備受關注。在本研究中，我們探索了一種簡單且一致的技術來合成具有優異電化學性能的活性炭電極材料。分別使用有化鎳和活性炭的正極和負極材料構建了不對稱超級電容器。組裝后的電容器表現出優異的超級電容性能，具有高比能量、比功率，以及卓越的循環壽命。

　　氧化鎳納米粒子的合成

　　在氧化鎳的典型合成過程中，將硝酸鎳與去離子水一起在環境溫度下保持在燒杯中，同時進行磁力攪拌。然后，將六烷基三甲基溴化銨分散在去離子水中，并在攪拌條件下緩慢加入上述溶液中。隨后，將預先活性炭原材料放入上述反應混合物中。最后，將制備好的溶液移入聚四氟乙烯襯里的不銹鋼(SS)高壓釜中。高壓釜在馬弗爐中保持在120℃中12小時。反應完成后，使高壓釜在環境溫度下冷卻。收集所得材料并用大量去離子水和乙醇沖洗以除去未反應的材料/溶劑。清潔后的材料在真空烘箱中在80℃下脫水放置。最后，將干燥的樣品在空氣氣氛下在三種不同的溫度(300、500和700℃)下粉碎和燒結2小時。最終衍生材料根據其煅燒溫度來區分材料。制備方法的圖示表示在圖1展示。

　　圖1：氧化鎳納米粒子反應方案的圖示。

　　活性炭電容器裝置

　　超級電容器裝置的制造是集成陰極(氧化鎳)，陽極(活性炭)使用纖維素濾紙(在2.0M/KOH電解液中浸泡放置)分離，然后用絕緣膠帶包裹。陽極和陰極具有相似的幾何表面積，再經過合適的重量比來制成電容器。圖2a顯示了超級電容器件在各種截止區域中的CV曲線，掃描速率為50mVs-1。從圖中可以看出，電容器件的CV曲線呈現出典型的準矩形電容性能，這對應于雙電層電容器和贗電容的相互貢獻。此外，當增加工作截止區時，會發生更多的法拉第電化學反應。當工作電位超過1.7V時，也會在CV曲線上注意到氧氣的釋放。活性炭/氧化鎳器件很大程度上取決于截止區域。因此，選擇1.6V作為隨后研究超級電容器件電化學性能的潛在窗口區域。圖2b顯示了活性炭電容器件在0到1.6V的截止區域內的各種掃描速率下的CV曲線。電流密度隨著掃描速率的增加而增加，并且氧化峰電位轉移到更正的電位，類似三電極器件的結果。

　　圖2：(a)活性炭/氧化鎳電容器的CV曲線的掃描速率檢查，(b)活性炭/氧化鎳電容器在不同的掃描速率下的CV曲線，(c)活性炭在1Ag-1電流密度下在不同截止范圍測量的GCD曲線，和(d)活性炭在不同電流密度下的GCD曲線。

　　從結果來看，即使在較大1.6V的電位窗口下，該器件也顯示出具有準對稱三角形GCD特征的優異超級電容性能，并且比電容隨著電位窗口的增加而上升。除了陰極和陽極的協同效應外，活性炭電容器的優異性能還可以歸因于氧化鎳納米薄片更高的比電容和倍率性能。活性炭/氧化鎳電容器在不同電流密度下的GCD曲線如圖2d所示。可以發現，充放電曲線的形狀幾乎是對稱的，表明電化學反應是可逆的。

　　活性炭超級電容器的Ragone圖

　　Ragone圖在圖3a顯示。活性炭電容器在功率密度為52.4和10.6Wh/kg-1時顯示出高能量密度分別為800和32,000W/kg-1。接著，研究了活性炭新型儲能器件在1Ag-1下的循環性能，在0到1.6V的電位窗口范圍內進行了超過5000次循環，如圖3b所示。電容器的比電容在1Ag-1的5000個恒電流充放電循環期間仍保持95.6Fg-1，約為初始電容的90.6%。該器件的恒電流充放電曲線在5000次循環后仍保持相同的對稱曲線，表明該器件仍具有良好的可逆電化學活性。由于活性炭電容器件在循環過程中歐姆電阻的增加，比電容正在衰減。由于在充放電過程中活性材料體積的變化，活性材料和基板之間的界面接觸可能會隨著時間的推移而惡化，從而導致器件的歐姆電阻更高。此外，在循環過程中，活性炭材料可能會從基板上脫落，從而導致電容被低估。因此，必須優化電極構建方法以提高器件的可循環性。圖3b從而導致這種活性炭電容器件在下一代儲能應用中的巨大潛力。圖3c、d分別顯示了電容器器件的穩定性研究(5000次循環后)之前和之后的恒電流充放電曲線和CV曲線。由活性炭制成的新型儲能產品的比電容在5000次恒電流充放電循環后仍保持初始電容的約90%。

　　圖3：(a)組裝好的活性炭儲能裝置的Ragone圖。(b)活性炭電容器的長期循環性。(c)電容器裝置在5000次循環前后的GCD曲線。(d)電容器裝置在第5000個GCD測量周期前后的CV曲線。

　　我們成功地通過水熱技術制備多孔氧化鎳納米薄片，然后在三個不同溫度下煅燒制成儲能裝置正極。而活性炭作為負極制成新型儲能產品(超級電容器)在1Ag-1下表現出105Fg-1的高電容，并且還表現出優異的可循環性。此外，電容器裝置在800W/kg-1的功率密度下顯示出52.4Wh/kg-1的重量能量密度。結果表明，活性炭和多孔氧化鎳納米薄片是具有可行應用的超高性能超級電容器的優良電極材料。

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