活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭在儲電設(shè)備中通常應(yīng)用于作為陰極材料，雖然鋰電池在能量方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，然而，通常鋰離子電池從它們的低功率密度和循環(huán)過程中由于固有的緩慢固態(tài)擴(kuò)散和活性物質(zhì)的凝聚差會使循環(huán)穩(wěn)定性受到影響。所以需要研究可以替代的產(chǎn)品，非水鈉離子電容器是一種可持續(xù)發(fā)電的設(shè)備，因為鈉資源豐富而且鈉和鋰的物理和化學(xué)性質(zhì)相似。本期展示了使用雙碳鈉離子電容器裝置采用氮硫共摻雜活性炭作為陽極，活性炭作為陰極，具高能量密度，高功率密度，循環(huán)壽命長的電容器。

　　活性炭電容材料的制備

　　氮硫共摻雜活性炭的制造過程涉及兩個主要步驟，如圖1a中所示。原材料在管式爐中在800℃，氬氣下加熱處理2小時，得到氮硫共摻雜活性炭。為了比較，在不存在硫的情況下，通過與氮硫共摻雜活性炭相同的方法獲得氮摻雜的活性炭。如圖1b所示與原始活性炭相比，已經(jīng)證明氮摻雜活性炭作為鈉儲存的陽極材料顯示出很大的改進(jìn)。與氮相比，摻雜的硫原子具有更大的尺寸和更小的電負(fù)性，這進(jìn)一步擴(kuò)大了層間距，產(chǎn)生活性位點，并顯著增強(qiáng)了活性炭材料的電子性質(zhì)。作為二進(jìn)制雜原子摻雜的正協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果，氮硫共摻雜活性炭將實現(xiàn)高導(dǎo)電性和大層間距離，這提供了優(yōu)異的鈉離子存儲性能。

　　圖1：(a)氮硫共摻雜活性炭合成的示意圖，以及(b)具有不同幾何構(gòu)型和不同層間距離的三種活性炭對鈉儲存的行為。

　　鈉離子半電池性能

　　為了進(jìn)一步描述制成活性炭的電化學(xué)行為，進(jìn)行循環(huán)伏安法和恒電流充電放電測試。為了證明活性炭的優(yōu)點，還在相同的質(zhì)量負(fù)載下測試了幾種活性炭的Na儲存性能，圖2a顯示了在0.05至10Ag-1的不同電流密度下測試5個循環(huán)。與其他兩個樣品相比，氮硫共摻雜活性炭顯示出優(yōu)異的速率性能，在高速測量之后仍然可以恢復(fù)高比容量。對于沒有S摻雜的活性炭，當(dāng)電流密度增加時，電極提供的容量降低。相比之下，不同電流密度下的恒電流充電放電曲線​​進(jìn)一步證實了這些速率的結(jié)果。因此，氮硫共摻雜活性炭電極表現(xiàn)出比其他對照樣品好得多的速率性能和優(yōu)異的鈉儲存性能。

　　圖2：合成的幾種活性炭的電化學(xué)性能。速率表現(xiàn)(a和b)。不同電流密度下的恒電流充電放電曲線​​(c)。在電流密度為0.5-5.0時的循環(huán)性能(d和e)。

　　活性炭鈉離子電容器

　　如圖3a所示，使用氮硫共摻雜活性炭作為陽極并且商業(yè)活性炭作為陰極在電解質(zhì)溶液中構(gòu)建的鈉離子電容器裝置。在充電過程中，ClO 4-離子在活性炭的多孔結(jié)構(gòu)中被吸收，而來自電解質(zhì)的Na離子被插入到氮硫共摻雜活性炭中。放電過程與充電過程相反。在制造鈉離子電容器之前，氮硫共摻雜活性炭電極在預(yù)活化10個循環(huán)在Na離子半電池中獲得高效率，然后放電至0.01V的截止電壓。此外，研究了活性炭作為陰極的電化學(xué)性能，以評估陰極和陽極之間的電荷平衡。活性炭的比表面積高達(dá)1500以上。根據(jù)活性炭陰極和氮硫共摻雜活性炭陽極的比容量值，鈉離子電容器中氮與硫摻雜活性炭的質(zhì)量比為3：1。

　　圖3：(a)活性炭制成的鈉離子電容器。(b)各種掃描速率的CV曲線。(c)基于活性炭陽極陰極的總質(zhì)量，在不同電流密度下電容器的恒電流充電放電曲線​​。(d)活性炭電容器的循環(huán)性能。

　　通過簡便可控的方法成功合成了氮硫共摻雜活性炭，并且已經(jīng)提出了它們作為鈉離子電容器的陽極優(yōu)異的鈉儲存性能。氮硫共摻雜活性炭和獨特的分級空心一維纖維結(jié)構(gòu)是儲存性能的原因。更重要的是，氮硫的雙摻雜大大降低了鈉離子電容器的陰極和陽極之間電極動力學(xué)的不匹配，擁有高能量密度和高功率密度，再加上理性的循環(huán)壽命，一個優(yōu)秀性能的電容器誕生了。

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