掺氮介孔炭/炭纳米管修饰石墨毡与氧化还原电对耦合超级电容器研究

Supercapacitors is a electrochemical double layer capacitors or some metal oxides surface two dimensions Faradaic electrode reaction pseudocapacitors. They have a great prospect in even electricity grid, new energy power and hybrid power vehicle et al. The major challenges facing researchers today is to provide highly efficient, low cost, and environmentally benign Supercapacitors. In this project, In order to increase energy density of supercapicitor, a new idea is proposed to hybrid liquid battery redox pairs and electrical double layer Supercapacitors. Redox pairs not only increase supercapacitor conductivity between electrolyte and electrode, but also its redox reaction can provide additional electric capacitor. At the same time, the in situ growth mesoporous carbon, carbon nanotube or whisker in carbon felt can increase the adhesion between carbon and carbon felt, and form an electron path for electrolyte in the porous electrodes, which increase the effect reaction areas and reduce contact resistance. On this basis, nitrogen doped all carbon electrodes to further gain Faradaic pseudocapacitor. The result is to obtain supercapitors with high energy density.

超级电容器是基于电化学双电层电容或某些氧化物电极表面二维法拉第反应赝电容的储能装置，其在电网调峰、新能源发电和混合动力汽车等领域具有良好的应用前景。目前超级电容器存在的主要问题是比能量低，从而限制了其广泛应用。本项目提出把液流电池氧化还原电对储能与超级电容器储能在同一电极内混合，电对的存在一方面提高超级电容器电解质与电极之间的电导率，另一方面其自身的氧化还原反应将为超级电容器提供附加的电荷容量；同时，在石墨毡的炭纤维上原位生长介孔炭、炭纳米管或炭纤维须制备电极，增大炭与炭毡的粘结力，形成良好的无边界电子通道和允许电解质迅速渗透的层次混合结构，提高电极的比表面积，减小接触电阻；在此基础上，对介孔炭、炭纳米管或炭纤维须进行掺氮处理，增大表面含氮基团，以增大法拉第赝电容，达到提高超级电容器比能量的目的。

能量密度低是限制电化学电容器(ECs)应用的主要因素，根据能量密度计算公式De=1/2CV2，可以通过提高比电容和扩大工作电压窗口两条途径提高ECs能量密度。其中，电极材料是ECs的重要组成部分，是影响ECs性能至关重要的因素。鉴于此，本项目集中研究高比电容和大电压窗口电极材料。通过研究电极材料结构和微观形貌，探索电极结构与ECs性能之间关系。.第一，通过磁场辅助增大ECs比电容来提高能量密度。首先，采用磁场辅助制备具有规整表面的NiO电极，有序的孔道结构作为离子和电子的传输通道，扩散和传递阻力小，有利于电解液离子充分浸润到电极材料体相内部，提高电极材料有效比表面积利用率；其次，采用蒸发溶剂法制备AC-Fe3O4磁功能复合材料，充磁磁化得到磁性AC-Fe3O4电极，纳米Fe3O4粒子在电极内部形成微磁场，加速电解液离子扩散速率，降低电荷转移内阻，使离子得以扩散到电极体相内部，有效利用电极材料活性位点储存电荷。这两种方法均不改变电极材料的微观形貌和晶体结构，仅采用外加磁场提高ECs能量密度。.第二，对电极材料进行掺杂修饰组装非对称电容器，通过扩大工作电压窗口提高ECs能量密度。一是采用一步水热法制备具有介孔结构的MnO2-C正极材料，石墨型碳微球可以增加复合材料的导电性，同时为MnO2的自组装提供基体，避免水热过程中纳米MnO2的团聚，而碳微球表面的纳米MnO2可以有效防止葡萄糖碳化过程中碳微球的长大，增大材料的比表面积；二是制备AC-CNTs复合材料作为电容器负极材料，可以吸附和存储水电解产生的氢气，碳-氢相互吸附，扩大工作电压窗口，同时氢储存增加赝电容，提高ECs能量密度。