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活性炭在储电设备中通常应用于作为阴极材料，虽然锂电池在能量方面表现出明显的优势，然而，通常锂离子电池从它们的低功率密度和循环过程中由于固有的缓慢固态扩散和活性物质的凝聚差会使循环稳定性受到影响。所以需要研究可以替代的产品，非水钠离子电容器是一种可持续发电的设备，因为钠资源丰富而且钠和锂的物理和化学性质相似。本期展示了使用双碳钠离子电容器装置采用氮硫共掺杂活性炭作为阳极，活性炭作为阴极，具高能量密度，高功率密度，循环寿命长的电容器。
活性炭电容材料的制备
氮硫共掺杂活性炭的制造过程涉及两个主要步骤，如图1a中所示。原材料在管式炉中在800℃，氩气下加热处理2小时，得到氮硫共掺杂活性炭。为了比较，在不存在硫的情况下，通过与氮硫共掺杂活性炭相同的方法获得氮掺杂的活性炭。如图1b所示与原始活性炭相比，已经证明氮掺杂活性炭作为钠储存的阳极材料显示出很大的改进。与氮相比，掺杂的硫原子具有更大的尺寸和更小的电负性，这进一步扩大了层间距，产生活性位点，并显着增强了活性炭材料的电子性质。作为二进制杂原子掺杂的正协同效应的结果，氮硫共掺杂活性炭将实现高导电性和大层间距离，这提供了优异的钠离子存储性能。
图1：(a)氮硫共掺杂活性炭合成的示意图，以及(b)具有不同几何构型和不同层间距离的三种活性炭对钠储存的行为。
钠离子半电池性能
为了进一步描述制成活性炭的电化学行为，进行循环伏安法和恒电流充电放电测试。为了证明活性炭的优点，还在相同的质量负载下测试了几种活性炭的Na储存性能，图2a显示了在0.05至10Ag-1的不同电流密度下测试5个循环。与其他两个样品相比，氮硫共掺杂活性炭显示出优异的速率性能，在高速测量之后仍然可以恢复高比容量。对于没有S掺杂的活性炭，当电流密度增加时，电极提供的容量降低。相比之下，不同电流密度下的恒电流充电放电曲线进一步证实了这些速率的结果。因此，氮硫共掺杂活性炭电极表现出比其他对照样品好得多的速率性能和优异的钠储存性能。
图2：合成的几种活性炭的电化学性能。速率表现(a和b)。不同电流密度下的恒电流充电放电曲线(c)。在电流密度为0.5-5.0时的循环性能(d和e)。
活性炭钠离子电容器
如图3a所示，使用氮硫共掺杂活性炭作为阳极并且商业活性炭作为阴极在电解质溶液中构建的钠离子电容器装置。在充电过程中，ClO 4-离子在活性炭的多孔结构中被吸收，而来自电解质的Na离子被插入到氮硫共掺杂活性炭中。放电过程与充电过程相反。在制造钠离子电容器之前，氮硫共掺杂活性炭电极在预活化10个循环在Na离子半电池中获得高效率，然后放电至0.01V的截止电压。此外，研究了活性炭作为阴极的电化学性能，以评估阴极和阳极之间的电荷平衡。活性炭的比表面积高达1500以上。根据活性炭阴极和氮硫共掺杂活性炭阳极的比容量值，钠离子电容器中氮与硫掺杂活性炭的质量比为3：1。
图3：(a)活性炭制成的钠离子电容器。(b)各种扫描速率的CV曲线。(c)基于活性炭阳极阴极的总质量，在不同电流密度下电容器的恒电流充电放电曲线。(d)活性炭电容器的循环性能。
通过简便可控的方法成功合成了氮硫共掺杂活性炭，并且已经提出了它们作为钠离子电容器的阳极优异的钠储存性能。氮硫共掺杂活性炭和独特的分级空心一维纤维结构是储存性能的原因。更重要的是，氮硫的双掺杂大大降低了钠离子电容器的阴极和阳极之间电极动力学的不匹配，拥有高能量密度和高功率密度，再加上理性的循环寿命，一个优秀性能的电容器诞生了。
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