活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭用在锂离子电容器中的阴极

　　由于电子设备的快速发展，同时具有高能量和功率密度储能系统已经吸引了极大的关注。近年来，由于锂离子嵌入/脱嵌到电极材料中的机理，锂离子电池具​​有很高的能量密度，已广泛应用于我们的日常生活中。锂离子混合电容器同时也被认为是很有前途的下一代储能设备之一，然而具有低成本和优异循环稳定性的活性炭材料被广泛用作锂离子混合电容器的阴极材料。

　　具有微孔结构的活性炭材料用作的阴极材料时，具有出色的可循环性和出色的功率性能，如果忽略了其相对较低的能量密度，则表明电池的理想选择。因此，提高活性炭能量密度的简便有效方法对促进高性能锂离子电容器的广泛应用具有重要意义。在这项工作中，通过将活性炭与电池型组件钠纳米带(NaVO)结合在一起，设计了一种混合阴极。根据杨的报告，通过方便的水热法制备NaVO材料，然后进行退火。由于两种锂离子存储机制的结合，活性炭杂化物显示出高比容量和出色的循环稳定性。

　　活性炭的形态与理化特性

　　样品的XRD图谱显示在图1a中。所有样品均显示出与纯NaVO相同的尖峰，指示为Na的单斜晶相。此外，活性炭杂化物的XRD图谱在大约24°和44°处显示两个宽的衍射峰，分别对应于活性炭非晶结构的(002)和(100)衍射。没有观察到其他峰，表明样品的高纯度。NaVO是一维纳米带簇，平均宽度约180nm，具有光滑的表面和相对均匀的方向(图1b)。如在所示图1C，活性炭是与几个微米的平均尺寸的颗粒。明显的是，NaVO纳米带和活性炭颗粒混合良好(图1d)。进行了高分辨率透射电子显微镜和选择区域电子衍射，以进一步研究结构的细节(图1e)。d=3.40Å的层间距对应于NaVO的(-111)晶面，这与XRD结果一致。

　　图1：(a)NaVO和活性炭杂化物的XRD图谱，(b–d)NaVO纳米带，活性炭和活性炭的SEM图像，(e)NaVO纳米带的HR-TEM显微照片，(f)NaVO和活性炭的拉曼光谱。

　　活性炭在半电池中作为阴极的电化学性能

　　制备了带有锂金属对电极的锂离子半电池，以测量作为阴极材料的样品的电化学性能。图2a显示了活性炭和NaVO活性炭杂化物的CV曲线，扫描速率为0.5mV s-1。YP50D的CV曲线具有标准的矩形形状，而活性炭杂化物的所有CV曲线均显示三个明显的还原峰，分别位于3.25V，2.86V和2.37V附近。锂离子的多步插层。固溶体转变有助于在3.25V出现峰。还观察到两个位于3.03V和3.05V的阳极峰，对应于锂离子的脱嵌。

　　图2：活性炭和活性炭杂化物在1.5至4V的半电池测试中的电化学性能。(a)所有样品在0.5mV s-1的扫描速率下的循环伏安(CV)曲线，(b)活性炭杂化物1至50mV s-1之间的不同扫描速率下的CV曲线，(c)活性炭杂化物的扩散控制法拉第过程和电容过程的贡献率，(d)在0.05A g-1的电流密度下所有样品的恒电流充/放电(GCD)曲线。

　　此外，当NaVO含量增加时，CV曲线显示出较大的面积，表明增加的氧化还原反应可提供更高的容量。图1b显示了所有样品在不同扫描速率(从1到50mV s-1)下的CV曲线。随着扫描速率的增加，氧化还原峰发生轻微移动，并且CV曲线的形状得到很好的保留，这表明了出色的反应动力学和出色的速率性能。此外，在大电流密度下活性炭杂化物的CV曲线为准矩形，氧化还原峰不明显，与活性炭的CV曲线相似，表明电容性行为占主导，电池行为也对容量有贡献。

　　在这项工作中，通过典型的水热法和随后的退火工艺合成了NaVO纳米带，以提高活性炭在用作锂离子混合电容器的阴极时的能量密度。得益于电容过程和扩散控制的法拉第过程的协同作用，混合阴极活性炭杂化物显示出高容量和出色的循环稳定性。在预锂化后，使用活性炭杂化物混合阴极和人造石墨阳极组装锂离子电容器，在高能量密度即使超高功率密度下也是如此。5000次循环后，电容保持率达到了约70%的出色循环稳定性。以上结果证实了活性炭作为高性能锂离子电容器的潜在候选阴极材料。同时，所证明的能量和功率密度证明了使用由活性炭和少量高能电池型材料组成的混合阴极以低成本制备先进的储能装置的可能性。

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