低溫脫除超級電容器用多孔炭含氧官能團

楊 婷尹立坤韓 宇畢 然鄭壯壯張亞楠陳明鳴?

在眾多電化學能量儲存與轉化器件中,雙電層電容器(EDLCs)具有快速充放電、長壽命等優點,廣泛應用于新能源汽車動力電源以及航空航天等領域[1-7]。 然而,較低的能量密度限制了EDLCs 的發展,提高其能量密度成為研究的焦點。 根據E=0.5CV2(C為多孔炭電極材料的比電容、V為EDLCs的電壓窗口、E為EDLCs 的能量密度)可知[8,9],可以從兩方面提高EDLCs 的能量密度:(1)提高多孔炭電極材料的比容量;(2)拓寬電壓窗口則可以平方倍地提高能量密度。 因此擴寬電壓窗口是提高EDLCs 能量密度的關鍵。

提高多孔炭電極材料的耐電壓特性是擴寬EDLCs 電壓窗口的好方法。 而電導率、孔結構以及含氧官能團等均會影響多孔炭電極材料的耐電壓特性[10-13]。 其中含氧官能團(羥基、羧基、酸酐、內酯、醌基等)對多孔炭電極材料的耐電壓特性影響很大。 當電壓升高(>3.0 V)時,正極多孔炭電極材料上的含氧官能團會與電解液(碳酸丙烯酯)發生電化學氧化反應,生成CO 和CO2等氣體[11]。 此外,電極材料表面含氧官能團會與電解液反應生成一層固態電解質(SEI)膜[13]。 SEI 膜的存在會阻礙電解質離子進入多孔炭電極材料的孔道,導致EDLCs 容量和能量密度的迅速衰減。 因此,降低多孔炭電極材料表面含氧官能團的含量顯得尤為重要。

脫除多孔炭電極材料表面含氧官能團的常用方法包括化學還原法和熱還原法[14]。 化學還原法是通過化學還原試劑(如水合肼、硼氫化鈉、單寧酸、抗壞血酸等)脫除多孔炭材料表面的羥基、環氧基等含氧基團[15-17]。 ……