登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
由于快速充电/放电动力学,超高的功率密度和稳定的循环特性,碳基超级电容器(CSC)非常有希望用于电化学储能(EES),并被视为可充电电池的替代品。然而,相对较差的能量密度,尤其是CSC的体积能量密度比传统电池的能量密度低至少一个数量级,很大程度上限制了CSC在便携式EES设备中的广泛应用。为了解决这个问题,研究人员致力于开发纳米结构碳材料以改善超级电容器的体积电容,包括多孔活性炭,中孔碳,碳化物衍生碳,碳纳米管,碳纳米纤维,碳纳米笼,石墨烯材料,多孔碳/石墨烯杂化物,聚苯胺/石墨烯复合物和杂原子掺杂碳(HDCs)。其中,HDCs是超级电容器(SCs)最有前途的储能材料之一,归因于杂原子衍生的超赝电容和通过改变碳材料的电子转移性质来增强电极-电解质相互作用。
实际上,碳基多孔材料通常具有低密度,导致非常低的电容和能量密度,商用多孔活性炭电极通常只有80-120 F·g-1的低重量电容和4-5 Wh·Kg-1的能量密度。虽然压缩有利于体积密度,但过度压缩会破坏孔结构,从而导致离子扩散到内部区域,导致体积性能不佳。为了解决这个问题,将较重元素直接引入碳基质中,已被认为是提高自然密度以及提高体积电容的有效方法。最近,据报道单个杂原子(如N,O,S,P或F)和/或多掺杂碳材料可以改善体积能量密度。大多数研究通过控制杂原子掺杂类型和平衡掺杂含量,期望HDCs的新设计和高体积性能用于下一代CSC。
近期,温州大学化学与材料工程学院王舜教授、美国阿贡国家实验室化学科学与工程部陆俊研究员、加拿大温莎大学化学与生物化学系王继昌教授(通讯作者)在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表相关研究工作A New Class of Heteroatom-Doped Porous Carbon Materials withUnprecedented High Volumetric Capacitive Performance。该工作通过卤化共轭二烯和含氮亲核试剂之间的原位脱卤反应制备了一类新型高密度杂原子掺杂多孔碳作为水基超级电容器的电极材料。所制备碳材料被各种杂原子高度掺杂,使其具有高密度和丰富的多峰孔隙,展现出优异的体积电容性能。N,P,O-三掺杂多孔碳在碱性电解液中表现出高堆积密度(2.13 g/cm)和特殊的体积能量密度(36.8 WhL-1),甚至可以与Ni-MH电池相媲美。
要点解读:如原理图1中所示,杂原子掺杂碳的合成涉及六氯丁二烯(HCBD)和吡啶(Py)之间的亲电取代反应,以形成五氯丁二烯基吡啶鎓盐(PPS)。DFT计算表明PPS可以与H2O进行加成和取代反应,从而形成两性离子物质,这是进一步自聚合的关键中间体。值得注意的是,痕量的残留水对于脱卤反应至关重要。但是,由于原料中存在的H2O足以促进自聚合,因此不需要过量的H2O。水分测量显示HCBD和Py中的H2O含量分别为0.16%和0.79%。
原理图1.脱卤反应和自聚合反应过程。
图1.a)Py-NOPC和NPOPC聚合和碳化示意图;
b),c)Py-NOPC和NPOPC的SEM图;
d)NPOPC的单个球体上的切片的TEM图;
e),f)Py-NOPC和NPOPC的TEM图;
g)NPOPCs球的碳(红色),氮(蓝色),磷(绿色)和氧(青色)的EDS元素散射。
要点解读:如图1a所示,层状聚合物A可以通过自聚合获得,并进一步煅烧为N,O掺杂的多孔碳板(Py-NOPC)。有趣的是,在六氯环三磷腈(HCCP)存在下,可以产生N,P,O掺杂的多孔碳球(NPOPCs)。图1c显示了球磨后NPOPC的SEM图,以产生均匀分布的光滑球形微结构。单个超薄切片碳微球的HR-TEM图显示内部存在大量孔结构(图1d)。能量色散谱(EDS)揭示了O,N和P掺杂剂在碳微球上的均匀分布(图1g)。
图2.a)NPOPC和Py-NOPC的XRD图;
b)NPOPC和Py-NOPC的XPS;
c)NPOPC和Py-NOPC的高分辨率N 1s;
d)孔径分布;
e)NPOPC和PyNOPC的N2吸附等温线;
f)总结各种碳材料的填充密度图
要点解读:NPOPC的XPS如图2b,133.0 eV,284.6 eV,400.1 eV和532.0 eV处的四个峰可归因于磷(P 2p,7.06at%),碳(C 1s,72.40at%),氮( N 1s,9.94at%)和氧气(O 1s,10.61at%)。高分辨率XPS N 1s峰分别在398.3, 400.0和403.8 eV(图2c)解卷积成三个峰,分别对应于吡啶,石墨和氧化的N。其中,石墨N和吡啶N占所有N含量的93%以上,这有利于提高NPOPCs的电化学性能。两种碳材料的X射线衍射图(XRD)在约25.2°和42.5°处显示出两个宽的衍射峰,对应于石墨的(002)和(100)面。通过提高杂原子掺杂含量,半峰宽变得更宽并且峰值全部移动到更小的角度,如图2a所示,表明碳框架中的缺陷和层间d-间距增加。图2e为Py-NOPC和NPOPC的N2吸附等温线,其具有I/IV型等温线。在相对压力P/P0<0.1时CO2显着吸收证实了NPOPC的高微孔隙度(~0.6 nm和1.5 nm),并且在相对压力P/P0>0.3存在明显的II型滞后表明基于N2吸收的中孔(4 nm)。BET比表面积(SSA)计算为429.7 m2·g-1,孔体积为0.232 cm3·g-1。NPOPC的填充密度测定为2.13 g·cm-3(图2f),高于所有已知的多孔碳材料,并且与热解石墨(2.25 g·cm-3)相当,使其成为实现SCs高体积性能的可能替代材料。NPOPC在碘乙烷中沉淀的简单实验,进一步证实了其高密度,碘乙烷的密度为1.95 g·cm-3(图2f)。
图3.Py-NOPC和NPOPC的电化学性能。
a),b)Py-NOPC,NPOPC分别在0.5M H2SO4电解质溶液和6M KOH电解质溶液、扫描速度10 mV·s-1下,首周循环伏安测试(CV);
c)0.5M H2SO4电解溶液,电流密度0.1A·g-1下,Py-NOPC和NPOPC的首周恒电流充电/放电(CC);
d)6 M KOH电解质溶液、电流密度1 A·g-1下,Py-NOPC和NPOPC首周恒电流充电/放电(CC);
e)碱性电解质中NPOPC和Py-NOPC体积比电容与电流密度曲线;
f)交流阻抗图;
g)不同材料的体积比容量与能量密度图;
h)NPOPC在6 M KOH、电流密度10 A·g-1下的循环性能(插图:NPOPC在6 M KOH中在0.5A·g-1的电流密度下的循环性能);
i)对称超级电容器的Ragone图;
j)6 M KOH电解液中NPOPC对称装置比能量与比功率的Ragone图,以及包括电化学电容器(EC),铅酸电池,镍氢电池在内的几种标准装置。
要点解读:在酸性电解质中以10 mV·s-1扫描速率下,产生显着的氧化还原峰(图3a),这表明由于杂原子掺杂(即N和P)导致NPOPC的赝电容。NPOPC在0.5 M H2SO4、电流密度0.1 A·g-1时,体积电容为925 F·cm-3;6 M KOH、电流密度1 A·g-1时,体积电容略低,为760 F·cm-3,高于Py-NOPC(图3e)。在碱性(即6 M KOH)电解质中, NPOPCs电极的电化学窗口从1.0 V扩大到1.5 V(图3b)。在6 M KOH中对Py-NOPC和NPOPCs电极阻抗测试表明NPOPC的最低等效串联电阻为~1.2欧姆(图3f)。
对于CSC的实际应用,非常期望开发具有高体积电容和能量密度的纳米材料电极,然而这仍然是一个重大挑战。该工作发现NPOPC在碱性电解液中具有超高的三电极体积电容(760 F·cm-3)和对称双电极能量密度(36.8 Wh·L-1),优于迄今为止文献报道所有碳材料(图3g)。此外,即使在60000次循环后,NPOPC的比电容仍保持其初始值的98%(图3h)。此外,NPOPCs电极在每个充放电循环中库仑效率接近100%,表现出其高可逆性。可以看出,NPOPC具有比其他基于碳材料电极更好的性能。
使用比能量与功率图(图3i,3j)进一步突出了NPOPC电极性能优于其他电池和SC材料。随着体积功率密度从1.18 Wh·L-1增加到73.5 Wh·L-1(图3i),NPOPC // NPOPCs对称电池的体积能量密度从36.8 Wh·L-1变为7.9Wh·L-1(图3i),比基于典型活性炭电极的SC高出一个数量级(<1 Wh·L-1)。相应的重量能量密度为17.3 Wh·kg-1,达到554.7 W·kg-1;功率密度为28.7 kW·kg-1时保留3.5 Wh·kg-1(图3j),这与其他相关的碳材料非常接近。基于NPOPCs电极的对称电池36.8 Wh·L-1的体积能量密度是迄今为止报道的含水电解质中碳材料的最高体积能量密度。其优异性能和宽工作电压窗口可归因于NPOPC中杂原子掺杂诱导的赝电容反应。
研究小结
1. 通过非传统的聚合物衍生方法和用于生产多种杂原子掺杂碳材料的高通量合成方法,实现了具有高密度,超高体积电容和能量密度的Py-NOPC和NPOPC的制备;
2. 结合实验和理论研究阐明了支撑聚醚型聚电解质形成的反应机理。所获得的基于NPOPCs对称SC电池的重量和体积能量密度分别为17.3 Wh·kg-1和36.8 Wh·L-1,接近Ni-MH电池;
3. 开发一种简单、可行和有效的杂原子掺杂碳材料的方法,同时实现高比功率和能量,将使碳基SC与商业电池竞争;除了SC之外,这种新型的多种杂质掺杂多孔碳材料对于许多其他应用也应具有吸引力,包括燃料电池,电池和储气系统。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
北极星储能网获悉,2月2日消息,有投资者在互动平台向ST金时提问:请问公司投资的新能源超级电容用途广泛吗?公司回答表示:超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,主要应用于国防军工、轨道交通、城市公交、起重机械势能回收、发电与智能电网、消费电子等领域。
北极星储能网获悉,1月30日,国家能源集团公布了新能源院1MW/5MIN超级电容器储能系统公开招标中标结果公告,南京南瑞继保工程技术有限公司中标该项目,报价706.2万元。根据招标文件,本超级电容器储能系统容量为≥1MW/5min,升压至站内现有的35kV间隔,最终接入已建110kV升压站。储能系统建设规模为≥1
北极星储能网获悉,1月25日国家能源集团发布新能源院1MW/5MIN超级电容器储能系统公开招标中标候选人公示。中标候选人情况如下:第一中标候选人:南京南瑞继保工程技术有限公司,报价706.2万元。第二中标候选人:煜邦智源科技(嘉兴)有限公司,报价634.015万元。本超级电容器储能系统容量为≥1MW/5min
1月18日获悉,山东淄博供电公司的储能式大电流短路冲击试验室顺利通过验收,标志着该公司成为国网山东省电力公司首家具备储能式大电流短路冲击试验检测能力的地市级供电公司。淄博供电公司于2019年开始试点建设储能式大电流短路冲击试验室,并先后完成两期实验室改造升级。该试验室配置的大容量储能式
北极星储能网获悉,12月6日,华电电力科学研究院2MW超级电容储能系统集成试制、2MW飞轮储能系统集成试制招标。项目地址位于浙江杭州,2MW超级电容储能系统集成试制要求投标人提供(2018年至投标截止日)超级电容储能项目业绩至少1项或锂电储能业绩3项;2MW飞轮储能系统集成试制要求投标人提供(2018年1
11月1日,广东能源集团20兆瓦新型储能系统示范项目(以下简称“新型储能系统示范项目”)并网投产,该项目是广东省首个“锂电+超级电容器”火储联合调频项目,已列入国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项。新型储能系统示范项目场址位于广东省珠海市,通过创新性采用“16MW/8MWh磷酸铁锂电
北极星储能网获悉,日前,力神电池所属天津力神超电科技有限公司完成新型超级电容器单体及其首个高电压模组产品研制。据悉,该产品采用国内领先的结构设计,稳定性高,同时整个装配生产过程采用全自动生产线,整条产线布置MES系统,对每道工序、每个产品实现全程可监控、追溯,有效保证生产产品质量及
近日,许继集团承接的华能集团福建罗源电厂超级电容混合储能辅助火电机组AGC调频示范项目全功率投运成功,标志着“超级电容混合储能辅助火电机组AGC调频技术研究及示范应用”项目成功实施,该项目也是国内首个大容量超级电容混合储能调频项目。许继为该项目提供了8套2.5MW储能调频PCS升压一体机系统和6
北极星储能网获悉,近日,江苏无锡太湖新城20千伏设备能源互联网改造工程项目超级电容储能系统成交候选人公示,中标候选人第一名为烯晶碳能电子科技无锡有限公司。据招标公告,该江苏无锡太湖新城20千伏设备能源互联网改造工程项目超级电容储能系统采购招标人为国电南瑞南京控制系统有限公司。本招标项
北极星储能网获悉,5月24日,深圳清研电子科技有限公司发生工商变更,新增股东贝特瑞、深圳力合泓鑫创业投资合伙企业(有限合伙),同时公司注册资本由1111.11万元人民币增加至1259.26万元人民币,增幅13.33%。据了解,圳清研电子科技有限公司成立于2020年,经营范围包含新能源储能材料、超级电容的设计
北极星储能网获悉,4月9日,山东济南科技局等印发《济南市企业研究开发财政补助实施办法》,文件提出为鼓励创新主体持续加大研发经费投入,市财政按一定比例对符合条件企业的研发经费投入给予的补助资金,单个企业年度最高补助300万元。补助的重点高新技术领域包括新型动力电池与储能电池技术、燃料电
近日,江苏省市场监督管理局发布《关于批准建设2023、2024年度省市场监管重点实验室和技术创新中心的通知》(苏市监科信〔2024〕62号),由无锡市检验检测认证研究院申报的“江苏省市场监管重点实验室(电化学储能)”正式获批建设。该实验室是省内首个以高水平储能产品质量安全评价及储能系统安全预防
北极星储能网获悉,4月17日,中国能建在回复投资者提问时表示,公司通过投资运营和工程建设方式参与各种传统能源和新能源发电项目,截至2023年底,公司控股并网装机发电项目约100余个。在储能领域,公司大力推进空气压缩储能、电化学储能、重力储能等项目,湖北应城300MW天然盐穴压缩空气储能、甘肃酒
根据国网新疆电力公司调度数据,2024年一季度全区投运的新型储能平均等效充放电次数141次,按照电化学储能85%电能量转换率折算,基本可满足单日“一充一放”,平均利用小时数达471小时,平均利用系数超80%,已达较高水平。一季度新疆电网新增新型储能电站18座,新增装机规模146.95万千瓦/529.4万千瓦时
北极星储能网获悉,4月11日,江苏昆宇电化学储能项目开工。该项目由昆宇电源股份有限公司投资建设。项目总投资45亿元,占地面积300亩,建成后年产电化学储能电池12GWh,达产后年销售收入约60亿元。
储能大时代,电化学储能正处于从商业化初期向规模化发展转变的关键期,电化学储能具备地理位置限制小、建设周期短、成本持续下降等优势,是目前发展速度最快、行业内最为关注的储能技术。未来,在政府扶持政策、储能系统成本进一步下降以及储能意识提升的推动下,预计全球新增电化学储能装机量将从2022
新能源汽车与电网融合互动,是新能源汽车通过充放电装置与电网进行能量和信息的互动,按能量流向主要分为智能有序充电、双向充放电等形式,可参与削峰填谷、虚拟电厂、聚合交易等应用场景。近日,国家发展改革委、国家能源局、工业和信息化部、市场监管总局四部门联合印发了《关于加强新能源汽车与电网
在全球绿色能源和技术的发展浪潮下,我国电源结构持续优化,可再生能源发电装机规模屡创新高。目前,我国已建成了世界上最大的清洁电力供应体系,在全球清洁能源技术价值链中发挥着核心作用。不同于传统能源的是,可再生能源存在着供应不稳定的特点。不同地区、气候下的能源供需存在巨大的差异,在传统
北极星储能网获悉,4月7日,上海市市场监督管理局、上海市经济和信息化委员会印发《检验检测赋能产业升级行动方案》,其中提出,推进绿色化转型。结合钢铁、化工、石化、建材等传统产业绿色化升级要求,完善绿色低碳产品检验检测体系,助推生产工艺改进和新产品研发。加强新型储能、氢能、新能源汽车、
近日,甘肃张掖市甘州区发展改革局联合区应急、工信、市场监管、国网甘州供电等5部门单位组成检查组,对全区电化学储能电站开展了安全风险隐患专项排查整治,督促企业绷紧安全弦,全面筑牢安全生产防线。此次专项整治行动邀请了能源行业安全专家参与,采取“四不两直”方式进行。检查组赴甘州南滩30万
北极星储能网获悉,3月27日,海西克鲁克电网侧电化学储能电站项目EPC总承包中标候选人公示发布。第1中标候选人:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,投标报价51754815元;第2中标候选人:中铁武汉电气化局集团有限公司,投标报价50488958元。根据招标公告,储能电站考虑放置在青海德令哈50万千瓦
北极星储能网获悉,3月27日上午,市场监管总局(国家标准委)召开专题新闻发布会,发布《中国标准化发展年度报告(2023年)》并介绍有关情况。会上,市场监管总局标准技术司一级巡视员国焕新介绍标准作为重要的基础性制度,是支撑产品质量提升、促进产业高质量发展的重要技术力量。2023年,市场监管总
北极星储能网讯,4月19日,星源材质发布关于与SamsungSDICo.,Ltd.签订《战略备忘录》的公告。根据公告显示,星源材质将向三星SDI供应约22.2亿平方米湿法涂覆锂离子电池隔膜材料,深化动力锂电池隔膜相关业务的战略合作。并以此为契机,在遵守相关法律的前提下,共同探索未来拓展北美业务的可能性,推动
北极星储能网讯,当地时间2024年4月12日10:00,雅化集团KMC公司卡玛蒂维矿山一期投产仪式在津巴布韦北马塔贝莱兰省卡玛蒂维隆重举行。津巴布韦总统姆南加古瓦、雅化集团副董事长孟岩以及津巴布韦政府、参建单位、合作伙伴、社区居民代表3000余人出席了投产仪式卡玛蒂维是雅化集团在非洲的第一个大型矿
磷酸锰铁锂投资热度不减。近日,电池中国获悉,江苏珩创纳米科技有限公司(以下简称“珩创纳米”)完成A轮超1亿元人民币融资,本轮融资由广发信德领投,黄海金控、创维投资、电科基金、正景资本跟投,此轮融资将用于持续产能扩张。在此之前,珩创纳米曾获得沃衍资本Pre-A轮投资。资料显示,珩创纳米成立
近日,大连化物所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员和鲁文静副研究员团队在溴基液流电池电极研究方面取得新进展。研发团队通过在电极表面基于可逆的固态溴络合效应,同步提高了电极的固溴能力和催化活性,降低了溴基液流电池的自放电率,提高了电池功率密度和循环寿命。研究团队提出了一种向电极表
北极星储能网讯,4月13日,璞泰来发布《2023年年度报告》。2023年,该公司实现营业收入153.40亿元、净利润19.12亿元。2023年,负极材料业务实现出货量155,317吨,同比增长11.35%;负极材料及石墨化业务实现主营业务收入661,076.75万元,同比下降16.01%。2023年,涂覆隔膜及加工量(销量)达到52.71亿㎡
北极星储能网讯,4月12日,诺德股份湖北黄石高端电解铜箔项目投产仪式暨新产品发布会在湖北黄石举行。据了解,该项目规划建设年产能10万吨高端电解铜箔及20万吨铜基材生产线,总投资规模达120亿元,项目分为两期建设,目前一期项目已经顺利建成投产。
北极星储能网讯,4月13日,天齐锂业发布关于公司执行副总裁辞职的公告。根据公告显示,刘莹女士因个人原因申请辞去公司执行副总裁职务,辞职后不再担任公司、公司控股子公司及参股公司任何职务。
北极星储能网获悉,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究团队解决了硫化物全固态电池叠层工艺的行业痛点及瓶颈问题,打通了硫化物全固态电池的大型车载电池制作工艺的最后一道难关,在硫化物软包电池叠片技术上取得关键性突破。制备的多层叠片软包电池循环300次容量几乎不衰减,性能还在继续测试中
北极星储能网获悉,据兰州新区生态环境局消息,近日,《兰州新区生态环境局关于甘肃金麟锂电新材料有限公司200kt/a磷酸系锂离子电池正极材料生产线建设项目环境影响报告表的批复》发布。据介绍,该项目总投资额高达30亿元,年度计划投资5亿元,建成后预计将实现年销售收入超过106亿元。
北极星储能网获悉,4月7日,陕西省发展和改革委员会关于印发《陕西省培育千亿级化工材料产业创新集群行动计划》(以下简称《计划》)的通知。《计划》指出,实施创新引领行动,增强产业发展动能依托秦创原创新驱动平台和西安交通大学等高校、科研院所、龙头企业,加强理论研究和基础研究,加快突破新兴
北极星储能网获悉,4月8日,平顶山市人民政府办公室发布关于加快平顶山市工业结构优化调整的实施意见。意见提出,新兴产业培育壮大。坚持“紧盯前沿、打造生态、沿链聚合、集群发展”,以技术突破、应用推广为着力点,引进行业标杆企业,培育壮大新材料、高端装备、生物医药、新能源储能等新兴产业,发
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!