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中山大学《Carbon Energy》:综述-碳材料用于Zn离子混合超级电容器的最新进展和挑战

  • 来源:来自 carbon energy 网站,
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  • 时间:2020-08-03 14:12:00

成果简介 

 

    锌离子混合超级电容器(ZHSC)结合了高能Zn离子电池和大功率超级电容器的优势,近年来已成为有前途的储能设备,受到越来越多的关注。但是,ZHSC的发展仍处于起步阶段,有许多瓶颈需要克服。尤其是,碳正电极的有限离子吸附能力引发的挑战严重限制了ZHSC的能量密度。因此,设计新颖的碳正电极已成为关键问题,该电极能够实现高能量密度,但又不会降低固有功率能力和长期耐久性。

    中山大学卢锡洪教授团队在《Carbon Energy》期刊发表名为“Recent progress and challenges of carbon materials for Zn‐ion hybrid supercapacitors”的综述,研究的重点是使用各种碳材料合成ZHSC,形态和电化学性能方面的最新成就。简要总结了优化其电化学性能的修饰策略。此外,还概述了该领域的当前挑战和未来机遇。这项综述将有助于为碳正电极的研究系统提供一个有组织的框架,并开发出具有高能量密度的新型ZHSC。

 

2 图文导读  

图1、锌离子混合超级电容器的组成和部分电化学行为。碳正电极吸附/解吸涉及的离子是(A)电解质中的阴离子或(B)Zn 2+

图2、Zn-离子混合超级电容器与其他储能设备的Ragone图

 

    主要关注近年来ZHSC中碳阳性电极的进展。ZHSC中使用的各种碳材料主要分为四类,包括商用AC,CNT,石墨烯和多孔碳(PC)。系统地研究了它们的合成,形态和电化学性能。然后,简要总结了优化其电化学性能的修饰策略。最后,讨论了ZHSC中碳正电极的当前挑战和未来机会。

图3、报告了各种形式的Zn离子混合超级电容器(ZHSC)

图4、(A)(B)X射线光电子能谱C1s光谱,带有氧化碳纳米管(oCNT)的调查光谱插图和oCNT的透射电子显微镜图像。

C),Zn // CNTs微型Zn离子混合超级电容器(m-ZHSC)的制备示意图。

D),CNTs纸的扫描电子显微镜图像。

E),Zn // CNTs m-ZHSC 在1至10 mA cm -2的恒电流充放电曲线。

    尽管CNT具有用作ZHSC组装电极材料的巨大潜力,但其相对较低的比表面积和密度导致在实际应用中需要进行额外的改性。非常需要扩大表面积(通过引入多孔结构)或引入一些额外的活性位点以进行Zn 2+调节。

图5、A,无嵌入剂碳(LC)和层状B / N共掺杂多孔碳(LDC)的合成程序。

B,Zn // LDC Zn-离子混合超级电容器(ZHSC)与其他ZHSC水溶液在0.5 A g -1时的恒电流充放电曲线。

C,D,MXene-rGO气凝胶的制备示意图。

E)rGO气凝胶和

F)MXene-rGO气凝胶的扫描电子显微镜图像

 

    与其他碳纳米材料相比,二维材料具有团聚和自堆积的问题,不利于电解质离子的传输和电荷存储。如上所述,可以通过与3D骨架材料结合并引入杂原子以增加层之间的静电排斥力来克服此缺点。

图6、A,制备富氧多孔碳(OPC)的示意图。

B,OPC扫描电子显微镜图像。

C,由获得的Zn // OPC Zn离子混合超级电容器供电的数字手表和手机

图7、在具有令人满意的电化学性能的Zn离子混合超级电容器中获得碳正电极的方法

 

3小结与挑战 

 

    通过这篇综述,我们讨论并分析了ZHSCs碳阳性电极的最新进展。这主要包括各种商用AC,CNT,石墨烯和PC材料的合成,形态和电化学性能。此外,简要总结了碳材料正极的修饰策略,以构建更理想的ZHSC。但是,碳正电极的电流电容和能量密度仍需要进一步提高,以匹配锌负电极的高理论容量。因此,在新型碳材料作为ZHSCs正极的设计和合成中仍然有许多困难需要克服。

    1、电化学机理的研究还不够彻底。除了在双电层中进行简单的离子吸附/解吸外,碳正电极的电化学行为还应通过各种高级表征,电化学测量和理论计算来进一步验证。例如,在充电和放电过程中,副产物(例如Zn 4 SO 4(OH)6 ·5H 2 O或[Zn(CF 3 SO 3)2 ·Zn(OH)2 ]·3H 2)的沉淀O)在电极表面上会干扰Zn 2+状态的适当表征在碳正电极中,因此影响了机理研究。此时,可以使用X射线光电子能谱和原位红外光谱来跟踪其他元素(C,O或H)的化学状态以间接表征Zn 2+。同时,还强烈建议使用X射线吸收近边缘光谱,密度泛函理论计算和同位素技术。而且,化学吸附在电极表面的普遍性以及副反应对性能的影响仍存在争议,需要进一步研究。这有利于进一步了解ZHSC的储能机理,有目的地提高其电容和能量密度。

    2、ZHSC的能量密度受到碳正电极的电荷存储容量不足的限制。由于ZHSC仅在最近几年才被定义,因此探索新型碳材料和有效的改良策略对于实现高能量密度是首选。

   (a)对于新型碳材料:报告的大多数碳电极都包含源自合成前体的3D PC,而很少涉及低维材料,例如石墨烯和CNT。这就要求我们进一步开发其在ZHSC中的应用,例如,将2D碳材料与3D碳材料结合以构建新的复合材料,这可以解决2D材料的团聚和自重堆积并去除3D中离子难以进入的孔。材料。此外,由生物质衍生的环保碳材料也值得研究。

   (b)对于有效的改进策略:杂原子或氧官能团的引入通过促进碳表面/附近碳表面的快速氧化还原反应而大大提高了电容,这为ZHSC形成了电池级的能量密度提供了良好的机会。但是,除了能量密度之外,这种修饰还同时影响电极的其他性能,例如电导率,密度和结晶度。例如,过量的氧官能团(特别是C = O)可以提供碳材料的电导率,而不是提供可逆的拟电容。碳材料中存在的N种(吡啶N,吡咯N,石墨N等)起着不同的作用,通过平衡它们的内容可以获得最佳性能。因此,通过系统地研究修饰策略的实际效果,实现碳电极的各种理化特性的平衡是重要的研究方向。

 

    3、功能性ZHSC设备需要进一步开发。如上所述,研究人员试图组装具有独特功能的ZHSC设备,以满足对电子设备不断增长的需求。例如,柔性ZHSC的开发对可穿戴电子产品(如可折叠屏幕,人造电子皮肤和电子手镯)具有重要的科学意义。为此,有必要开发软/柔性电极,在其上活性材料与基底具有强相互作用,以避免在外部机械力下剥离。此外,其他设备(例如微型设备,硬币设备和耐低温/高温设备)也是未来的研究热点,以满足不断增长的能源需求和应用领域。

 

   文献: