基于孔径与电解质离子匹配关系的有序多孔碳超级电容

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超级电容器作为一种新型的绿色环保储能器件受到广泛关注,它通过多孔材料表面上的离子吸附来存储电荷能量,而孔尺寸对电容的影响可以通过使电解质离子可及的电极表面积最大化而改善,如果对电极材料孔径与电解质离子匹配关系进行适当优化,则可以进一步改善超级电容器的性能。本文采用硬模板法,以SBA-15和HY沸石为模板,以乙炔为前驱体,通过化学气相沉积(CVD)技术对模板进行碳沉积,制备了两种有序介孔碳OMC-3h和OMC-6h,一种有序微孔碳ZTC。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)以及氮气吸脱附等温线等方法对材料的形貌结构进行分析。以上述3种有序多孔碳组成超级电容器正负极,选用阴阳离子直径明显不同的TEATFB和LiPF6为电解质,构建对称型和非对称型超级电容器,通过循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)以及交流阻抗(EIS)等电化学测试技术研究有序多孔碳孔径与电解质离子的匹配关系,优化超级电容器性能,主要结果如下。(1)以SBA-15为模板,通过硅烷化活化和乙炔CVD技术,成功制备两种有序介孔碳OMC-3h和OMC-6h,其中OMC-3h孔径主要集中在3.0 nm和6.0 nm,OMC-6h孔径主要集中在3.0 nm。以HY沸石为模板成功制得有序微孔碳ZTC,其孔径主要集中在1.2 nm。(2)同种有序多孔碳为正负极电极材料构建对称型超级电容器,以阴阳离子直径较大的TEATFB为电解质时,OMC-3h的孔径与电解质离子匹配关系最佳,在电流密度为0.5 A·g-1时,比电容高达112 F·g-1,能量密度为24 Wh·kg-1,在电流密度为5 A·g-1时,循环5000次后容量保持率仍为82%;以LiPF6为电解质时,具有窄孔尺寸分布的ZTC(d=1.2 nm)与离子直径较小的LiPF6电解质匹配关系良好,尤其是在大电流下充放电得到优化,在电流密度为20 A·g-1时,比电容高达80 F·g-1,能量密度为17 Wh·kg-1,在电流密度为5 A·g-1时,循环5000次后容量保持率仍为95%。(3)以不同有序多孔碳为正负极电极材料构建非对称型超级电容器,进一步研究阴阳离子与正负极有序多孔碳孔尺寸的匹配关系对电容特性的影响。其中,以TEATFB为电解质时,OMC-3h//OMC-6h正负极电极材料的孔径与电解质阴阳离子匹配关系最佳,在电流密度为0.5 A·g-1时,比电容高达135 F·g-1,能量密度为30 Wh·kg-1,在电流密度为5 A·g-1时,循环5000次后保持率仍为98%;以LiPF6为电解质时,OMC-3h//ZTC正负极电极材料的孔径与电解质LiPF6的阴阳离子匹配关系最佳,在电流密度为1 A·g-1时,比电容高达176 F·g-1,能量密度为38 Wh·kg-1,在电流密度为5 A·g-1时,循环5000次后保持率仍为72%。以上主要结果表明,通过调控超级电容器正负极电极材料孔尺寸,选用与正负极电极材料孔尺寸匹配的电解质,能够进一步开发多孔碳的双电层电容,提高超级电容器性能。
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