活性炭用在鋰離子電容器中的陰極

　　由于電子設(shè)備的快速發(fā)展，同時具有高能量和功率密度儲能系統(tǒng)已經(jīng)吸引了極大的關(guān)注。近年來，由于鋰離子嵌入/脫嵌到電極材料中的機(jī)理，鋰離子電池具​​有很高的能量密度，已廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。鋰離子混合電容器同時也被認(rèn)為是很有前途的下一代儲能設(shè)備之一，然而具有低成本和優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的活性炭材料被廣泛用作鋰離子混合電容器的陰極材料。

　　具有微孔結(jié)構(gòu)的活性炭材料用作的陰極材料時，具有出色的可循環(huán)性和出色的功率性能，如果忽略了其相對較低的能量密度，則表明電池的理想選擇。因此，提高活性炭能量密度的簡便有效方法對促進(jìn)高性能鋰離子電容器的廣泛應(yīng)用具有重要意義。在這項工作中，通過將活性炭與電池型組件鈉納米帶(NaVO)結(jié)合在一起，設(shè)計了一種混合陰極。根據(jù)楊的報告，通過方便的水熱法制備NaVO材料，然后進(jìn)行退火。由于兩種鋰離子存儲機(jī)制的結(jié)合，活性炭雜化物顯示出高比容量和出色的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　活性炭的形態(tài)與理化特性

　　樣品的XRD圖譜顯示在圖1a中。所有樣品均顯示出與純NaVO相同的尖峰，指示為Na的單斜晶相。此外，活性炭雜化物的XRD圖譜在大約24°和44°處顯示兩個寬的衍射峰，分別對應(yīng)于活性炭非晶結(jié)構(gòu)的(002)和(100)衍射。沒有觀察到其他峰，表明樣品的高純度。NaVO是一維納米帶簇，平均寬度約180nm，具有光滑的表面和相對均勻的方向(圖1b)。如在所示圖1C，活性炭是與幾個微米的平均尺寸的顆粒。明顯的是，NaVO納米帶和活性炭顆粒混合良好(圖1d)。進(jìn)行了高分辨率透射電子顯微鏡和選擇區(qū)域電子衍射，以進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)(圖1e)。d=3.40Å的層間距對應(yīng)于NaVO的(-111)晶面，這與XRD結(jié)果一致。

　　圖1：(a)NaVO和活性炭雜化物的XRD圖譜，(b–d)NaVO納米帶，活性炭和活性炭的SEM圖像，(e)NaVO納米帶的HR-TEM顯微照片，(f)NaVO和活性炭的拉曼光譜。

　　活性炭在半電池中作為陰極的電化學(xué)性能

　　制備了帶有鋰金屬對電極的鋰離子半電池，以測量作為陰極材料的樣品的電化學(xué)性能。圖2a顯示了活性炭和NaVO活性炭雜化物的CV曲線，掃描速率為0.5mV s-1。YP50D的CV曲線具有標(biāo)準(zhǔn)的矩形形狀，而活性炭雜化物的所有CV曲線均顯示三個明顯的還原峰，分別位于3.25V，2.86V和2.37V附近。鋰離子的多步插層。固溶體轉(zhuǎn)變有助于在3.25V出現(xiàn)峰。還觀察到兩個位于3.03V和3.05V的陽極峰，對應(yīng)于鋰離子的脫嵌。

　　圖2：活性炭和活性炭雜化物在1.5至4V的半電池測試中的電化學(xué)性能。(a)所有樣品在0.5mV s-1的掃描速率下的循環(huán)伏安(CV)曲線，(b)活性炭雜化物1至50mV s-1之間的不同掃描速率下的CV曲線，(c)活性炭雜化物的擴(kuò)散控制法拉第過程和電容過程的貢獻(xiàn)率，(d)在0.05A g-1的電流密度下所有樣品的恒電流充/放電(GCD)曲線。

　　此外，當(dāng)NaVO含量增加時，CV曲線顯示出較大的面積，表明增加的氧化還原反應(yīng)可提供更高的容量。圖1b顯示了所有樣品在不同掃描速率(從1到50mV s-1)下的CV曲線。隨著掃描速率的增加，氧化還原峰發(fā)生輕微移動，并且CV曲線的形狀得到很好的保留，這表明了出色的反應(yīng)動力學(xué)和出色的速率性能。此外，在大電流密度下活性炭雜化物的CV曲線為準(zhǔn)矩形，氧化還原峰不明顯，與活性炭的CV曲線相似，表明電容性行為占主導(dǎo)，電池行為也對容量有貢獻(xiàn)。

　　在這項工作中，通過典型的水熱法和隨后的退火工藝合成了NaVO納米帶，以提高活性炭在用作鋰離子混合電容器的陰極時的能量密度。得益于電容過程和擴(kuò)散控制的法拉第過程的協(xié)同作用，混合陰極活性炭雜化物顯示出高容量和出色的循環(huán)穩(wěn)定性。在預(yù)鋰化后，使用活性炭雜化物混合陰極和人造石墨陽極組裝鋰離子電容器，在高能量密度即使超高功率密度下也是如此。5000次循環(huán)后，電容保持率達(dá)到了約70%的出色循環(huán)穩(wěn)定性。以上結(jié)果證實了活性炭作為高性能鋰離子電容器的潛在候選陰極材料。同時，所證明的能量和功率密度證明了使用由活性炭和少量高能電池型材料組成的混合陰極以低成本制備先進(jìn)的儲能裝置的可能性。

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