中山大學：碳材料用於Zn離子混合超級電容器的最新進展和挑戰

2020-08-27 材料分析與應用

成果簡介

鋅離子混合超級電容器（ZHSC）結合了高能Zn離子電池和大功率超級電容器的優勢，近年來已成為有前途的儲能設備，受到越來越多的關注。但是，ZHSC的發展仍處於起步階段，有許多瓶頸需要克服。尤其是，碳正電極的有限離子吸附能力引發的挑戰嚴重限制了ZHSC的能量密度。因此，設計新穎的碳正電極已成為關鍵問題，該電極能夠實現高能量密度，但又不會降低固有功率能力和長期耐久性。

中山大學盧錫洪教授團隊在《Carbon Energy》期刊發表名為「Recent progress and challenges of carbon materials for Zn‐ion hybrid supercapacitors」的綜述，研究的重點是使用各種碳材料合成ZHSC，形態和電化學性能方面的最新成就。簡要總結了優化其電化學性能的修飾策略。此外，還概述了該領域的當前挑戰和未來機遇。這項綜述將有助於為碳正電極的研究系統提供一個有組織的框架，並開發出具有高能量密度的新型ZHSC。

圖文導讀

圖1、鋅離子混合超級電容器的組成和部分電化學行為。碳正電極吸附/解吸涉及的離子是（A）電解質中的陰離子或（B）Zn 2+


圖2、Zn-離子混合超級電容器與其他儲能設備的Ragone圖

主要關注近年來ZHSC中碳陽性電極的進展。ZHSC中使用的各種碳材料主要分為四類，包括商用AC，CNT，石墨烯和多孔碳（PC）。系統地研究了它們的合成，形態和電化學性能。然後，簡要總結了優化其電化學性能的修飾策略。最後，討論了ZHSC中碳正電極的當前挑戰和未來機會。

圖3、包括了各種形式的Zn離子混合超級電容器（ZHSC）


圖4、（A）（B）X射線光電子能譜C1s光譜，帶有氧化碳納米管（oCNT）的調查光譜插圖和oCNT的透射電子顯微鏡圖像。

C），Zn // CNTs微型Zn離子混合超級電容器（m-ZHSC）的製備示意圖。

D)，CNTs紙的掃描電子顯微鏡圖像。

E)，Zn // CNTs m-ZHSC 在1至10 mA cm -2的恆電流充放電曲線。

儘管CNT具有用作ZHSC組裝電極材料的巨大潛力，但其相對較低的比表面積和密度導致在實際應用中需要進行額外的改性。非常需要擴大表面積（通過引入多孔結構）或引入一些額外的活性位點以進行Zn 2+調節。

圖5、A，無嵌入劑碳（LC）和層狀B / N共摻雜多孔碳（LDC）的合成程序。B，Zn // LDC Zn-離子混合超級電容器（ZHSC）與其他ZHSC水溶液在0.5 A g -1時的恆電流充放電曲線。C，D，MXene-rGO氣凝膠的製備示意圖。（E）rGO氣凝膠和（F）MXene-rGO氣凝膠的掃描電子顯微鏡圖像


與其他碳納米材料相比，二維材料具有團聚和自堆積的問題，不利於電解質離子的傳輸和電荷存儲。如上所述，可以通過與3D骨架材料結合併引入雜原子以增加層之間的靜電排斥力來克服此缺點。


圖6、A，製備富氧多孔碳（OPC）的示意圖。B，OPC掃描電子顯微鏡圖像。C，由獲得的Zn // OPC Zn離子混合超級電容器供電的數字手錶和手機


圖7、在具有令人滿意的電化學性能的Zn離子混合超級電容器中獲得碳正電極的方法


小結與挑戰

通過這篇綜述，我們討論並分析了ZHSCs碳陽性電極的最新進展。這主要包括各種商用AC，CNT，石墨烯和PC材料的合成，形態和電化學性能。此外，簡要總結了碳材料正極的修飾策略，以構建更理想的ZHSC。但是，碳正電極的電流電容和能量密度仍需要進一步提高，以匹配鋅負電極的高理論容量。因此，在新型碳材料作為ZHSCs正極的設計和合成中仍然有許多困難需要克服。

  1. 電化學機理的研究還不夠徹底。除了在雙電層中進行簡單的離子吸附/解吸外，碳正電極的電化學行為還應通過各種高級表徵，電化學測量和理論計算來進一步驗證。例如，在充電和放電過程中，副產物（例如Zn 4 SO 4（OH）6 ·5H 2 O或[Zn（CF 3 SO 3）2 ·Zn（OH）2 ]·3H 2）的沉澱O）在電極表面上會干擾Zn 2+狀態的適當表徵在碳正電極中，因此影響了機理研究。此時，可以使用X射線光電子能譜和原位紅外光譜來跟蹤其他元素（C，O或H）的化學狀態以間接表徵Zn 2+。同時，還強烈建議使用X射線吸收近邊緣光譜，密度泛函理論計算和同位素技術。而且，化學吸附在電極表面的普遍性以及副反應對性能的影響仍存在爭議，需要進一步研究。這有利於進一步了解ZHSC的儲能機理，有目的地提高其電容和能量密度。
  2. ZHSC的能量密度受到碳正電極的電荷存儲容量不足的限制。由於ZHSC僅在最近幾年才被定義，因此探索新型碳材料和有效的改良策略對於實現高能量密度是首選。（a）對於新型碳材料：報告的大多數碳電極都包含源自合成前體的3D PC，而很少涉及低維材料，例如石墨烯和CNT。這就要求我們進一步開發其在ZHSC中的應用，例如，將2D碳材料與3D碳材料結合以構建新的複合材料，這可以解決2D材料的團聚和自重堆積並去除3D中離子難以進入的孔。材料。此外，由生物質衍生的環保碳材料也值得研究。（b）對於有效的改進策略：雜原子或氧官能團的引入通過促進碳表面/附近碳表面的快速氧化還原反應而大大提高了電容，這為ZHSC形成了電池級的能量密度提供了良好的機會。但是，除了能量密度之外，這種修飾還同時影響電極的其他性能，例如電導率，密度和結晶度。例如，過量的氧官能團（特別是C = O）可以提供碳材料的電導率，而不是提供可逆的擬電容。碳材料中存在的N種（吡啶N，吡咯N，石墨N等）起著不同的作用，通過平衡它們的內容可以獲得最佳性能。因此，通過系統地研究修飾策略的實際效果，實現碳電極的各種理化特性的平衡是重要的研究方向。
  3. 功能性ZHSC設備需要進一步開發。如上所述，研究人員試圖組裝具有獨特功能的ZHSC設備，以滿足對電子設備不斷增長的需求。例如，柔性ZHSC的開發對可穿戴電子產品（如可摺疊屏幕，人造電子皮膚和電子手鐲）具有重要的科學意義。為此，有必要開發軟/柔性電極，在其上活性材料與基底具有強相互作用，以避免在外部機械力下剝離。此外，其他設備（例如微型設備，硬幣設備和耐低溫/高溫設備）也是未來的研究熱點，以滿足不斷增長的能源需求和應用領域。


文獻：

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