富氮多孔碳材料在超级电容器中应用的突破

超级电容器具有快速充放电、长循环寿命和高安全性等优点,成为能源储存体系的研究重点。碳系材料广泛用于超级电容器电极材料,但基于物理脱吸附的双电层电容一直难以突破其较低能量密度的瓶颈(< 10 W h kg1)。其中,氮掺杂能够对碳材料的导电性、孔结构和电化学活性位点进行调节,赝电容的引入极大提升了碳材料的比容量,因而氮掺杂碳材料被认为是很有前景的超级电容器电极材料。尤其是近两年来富氮多孔碳材料在超级电容器领域取得了突破性进展,在保证大功率的前提下获得可媲美电池级别的高比能量。

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南京理工大学杨梅博士与南开大学周震教授合作对富氮多孔碳材料在超级电容器中应用的储能机理、研究现状和发展方向等方面进行了阐述和总结。该综述中主体内容分为两个部分,第一部分首先对碳材料中几种主要氮掺杂类型的结构特征和电子特性进行了分析,进而推测其中可能发生的电化学反应和不同掺杂类型的可逆转换。其次,在阐明富氮碳材料和常规氮掺杂碳材料之间的区别之后阐述了氮掺杂含量与导电性和孔结构之间的相互制约影响。最后,在对不同电解液中的电化学行为进行了简单评述,指出由氮掺杂带来的碱性基团更利于酸性电解质中质子脱吸附进行电化学可逆反应。综述的第二部分总结了富氮多孔碳材料对超级电容器比能量提升的促进作用,列举了其在水系非对称、新型对称到新兴非水混合体系中应用的相应突破性成果。其中,碳材料无论在水系还是有机体系中都具有较宽工作电位,这一特点使得碳材料可同时作为正负电极材料组装高性能新型对称体系,克服了非对称体系中常见的两端能量/功率不匹配性问题。最后对目前所存在的问题和挑战进行了系统总结,并对未来的研究方向提出了见解,对富氮多孔碳材料在超级电容器中的实际应用提供了指导。相关综述文章发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201600408)上。

 

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