湖南大學蔡勇教授EEM ：以g-C3N4/富N碳纖維復合材料設計高性能鉀離子混合電容器

youyoucao 2年前 (2021-10-04) 2453瀏覽

成果簡介

近日，湖南大學蔡勇教授課題組在Energy & Environmental Materials上發表了題為“Designing g-C3N4/N-Rich Carbon Fiber Composites for High-Performance Potassium-Ion Hybrid Capacitors”的研究論文。該團隊制備了一種高含氮量?(19.78 at%)?的碳納米纖維與g-C3N4復合材料。該材料作為鉀電池?(PIBs)?的陽極，具有優異的放電容量?(在0.05 A g?1下，可達391 mAh g?1)?、速率容量(在2A g?1下，可達到141 mAh g?1)、循環性能(在1Ag?1下，201mAh g?1循環超過3000次)。此外，它可在0°C下提供132 mAh g?1的放電容量。作為帶有活性碳陰極的鉀離子混合電容器?(PIHC)?設備的電池陽極，它可提供良好的能量/功率密度?(62 Wh kg?1/2102 W kg?1)?以及高可逆容量?(106 mAh g?1在1A g?1下)。這項工作為未來PIHC的實際應用提供了新的途徑。

文章簡讀

作為一種可逆儲能裝置，鋰/鈉/鉀電池?(LIBs/SIBs/ PIBs)?通過化學能與電能的相互轉換，可以實現高效、快速的能量存儲。雖然LIBs具有良好的能量密度，但因其缺乏良好的功率密度和可靠的長周期穩定性。對比之下，混合超級電容器?(HSCs)?因由電池電極和電容電極組成，比LIBs能獲得更高的能量和功率密度以及充電速度。因此，為了提高器件的能量和功率密度，混合超級電容器系統在大規模能源領域受到了很大的關注，例如鋰離子混合超級電容器?(Li-HSCs)、鈉離子混合超級電容器?(Na-HSCs)?和鉀離子混合電容器?(PIHC)。
與此同時，自然界中金屬鉀儲存量約是金屬鋰的880倍，且鉀的標準電極電位低于鈉和鋰。而且鉀離子的路易斯酸較弱，使得溶解后的鉀離子在電解質中的遷移速度更快。此外，與鋰基和鈉基電解質相比，鉀基電解質陽極材料表面的副反應較少。然而，K+的直徑比Li+/ Na+更大，封閉間隙電極的固體石墨碳擴散較差，會導致碳基電極材料的反應動力和電導率降低。因此需要尋找合適的材料來改善K+擴散/反應動力，從而提高速率能力和循環性能。近些年的研究表示，改性碳基陽極材料表面官能團，并摻雜其他的元素?(例如N、P、和S)?可以提高其電化學性能，且氮的含量對所得材料的結構和活性有很大的影響。石墨氮化碳?(g-C3N4)?是一種易于膨脹，成本低，在不同環境中化學穩定性好且含氮量高和活性位點豐富的共軛聚合物。但g-C3N4的導電性較差，且不可逆的包埋反應導致循環容量較差。因此，為了提高g-C3N4的導電性和可循環性，需要對其進行修飾。

本研究以硫脲為原料，采用簡單的靜電紡絲和煅燒工藝制備了含氮量高的碳納米纖維和g-C3N4復合材料(C3N4@NCNF-600)。硫脲可分解為g-C3N4，嵌入碳纖維，大大增加了碳纖維中氮的含量，并使碳纖維中吡咯N和吡啶N的含量總和增加。C3N4@NCNF-600作為PIBs的陽極，具有優異的可逆容量?(在0.05 A g?1下，可達391 mAh g?1)?和較長的循環性能?(在1A g?1下，201 mAh g?1循環超過3000次)。同時，C3N4@NCNF-600作為PIHC的陽極，具有良好的能量密度(62 Wh kg?1)、功率密度?(2102 Wkg?1)?和較長的循環穩定性。這項工作為未來PIHC的實際應用提供了有益參考。

圖1.?示意圖1)C3N4@NCNF復合材料形成過程; a-c) C3N4@NCNF?600的SEM圖; d-f)C3N4@NCNF?600的TEM和HRTEM圖像; g) C3N4@NCNF?600TEM圖明確顯示C、N、O元素。

圖2.?C3N4@NCNF復合材料的表征。a) C3N4@NCNF的XRD圖譜; b) C3N4@NCNF的拉曼光譜; c) C3N4@NCNF的XPS掃描圖譜; d) C3N4@NCNF-600的N 1s XPS圖譜; e)?不同材料的N分布; F)不同材料中不同類型的氮含量; g) C3N4@NCNF的配置示意圖。

圖3.?示意圖2)雙碳PIHCs?C3N4@NCNF-600//AC電化學性能示意圖; a)半電池中C3N4@NCNF-600和AC電極的CV曲線(上)，C3N4@NCNF-600//ACPIHCs(下); b)倍率性能; c)不同電流密度的GCD曲線; d)與其他工作比較的Ragone圖; e)5A g?1的循環穩定性(插圖是由一個組裝的C3N4@NCNF-600//ACPIHCs供電的LED的數碼照片)。

文獻鏈接

Qing Shen,Pengjie Jiang,Hongcheng He,Yanhong Feng,Yong Cai*,Danni Lei*,Mengqiu Cai,Ming Zhang*.?Designing g-C3N4/N-Rich Carbon Fiber Composites for High-Performance Potassium-Ion Hybrid Capacitors.Energy?Environ.?Mater.?2020.

DOI: 10.1002/eem2.12148.

本文由EEM期刊投稿。

分享到