基于室温离子液体的活化石墨烯粉末超级电容储能性能

杨康 帅骁睿 杨化超 严建华 岑可法

引用本文: 杨康, 帅骁睿, 杨化超, 严建华, 岑可法. 基于室温离子液体的活化石墨烯粉末超级电容储能性能[J]. 物理化学学报, 2019, 35(7): 755-765. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810009 shu
Citation:  YANG Kang, SHUAI Xiaorui, YANG Huachao, YAN Jianhua, CEN Kefa. Electrochemical Performance of Activated Graphene Powder Supercapacitors Using a Room Temperature Ionic Liquid Electrolyte[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(7): 755-765. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810009 shu

基于室温离子液体的活化石墨烯粉末超级电容储能性能

    通讯作者: 杨化超, huachao@zju.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51306159), 浙江省自然科学基金(LR17E060002)和中央高校基本科研业务费专项资金(2018XZZX002-17)资助项目

摘要: 室温离子液体(RTILs)具有电压窗口高等优点,被认为是实现超级电容高性能储能的绿色电解液。但是,离子液体的电导率低、粘度高,使得其储能性能不佳。本文探究了溶剂效应对离子液体超级电容储能性能的影响。以石墨烯粉末为活性材料,选取1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐为离子液体,通过添加乙腈溶剂配置了具有不同摩尔分数ρIL的电解液(从0.25到1.0)。结果表明,溶剂效应对超级电容性能的影响与电压扫描速率或电流密度密切相关。低扫描速率下,溶剂对储能基本没有影响,而高扫描速率下,添加溶剂可显著提升比电容(在ρIL = 0.25时,增加~2倍)。这是由于溶剂削弱了离子-离子间交互作用,从而降低了电解液粘度(~29倍),内阻(~5.5倍)和介电弛豫时间(~6.3倍)。在ρIL = 0.25时,超级电容最大能量和功率密度分别为65.2 Wh·kg-1和18066.6 W·kg-1,显著优于近期文献报道结果。特别地,当工作温度提升到50 ℃时,其能量密度将达到85.5 Wh·kg-1,显著高于传统水系、有机电解液超级电容和铅酸电池,与镍金属氢化物和锂离子电池性能相当。

English

    1. [1]

      Chen, X.; Paul, R.; Dai, L. Nat. Sci. Rev. 2017, 4, 453. doi: 10.1093/nsr/nwx009

    2. [2]

      李雪芹, 常琳, 赵慎龙, 郝昌龙, 陆晨光, 朱以华, 唐智勇.物理化学学报, 2017, 33, 130.doi: 10.3866/PKU.WHXB201609012Li, X. Q.; Chang, L.; Zhao, S. L.; Hao, C. L.; Lu, C. G.; Zhu, Y. H.; Tang, Z. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 130. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609012

    3. [3]

      Yang, H.; Yang, J.; Bo, Z.; Zhang, S.; Yan, J.; Cen, K. J. Power Sources 2016, 324, 309. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.05.072

    4. [4]

      神祥艳, 何建江, 王宁, 黄长水.物理化学学报, Sin. 2018, 34, 1029.doi: 10.3866/PKU.WHXB201801122Shen, X. Y.; He, J. J.; Wang, N.; Huang, C. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 1029. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801122

    5. [5]

      González, A.; Goikolea, E.; Barrena, J. A.; Mysyk, R. Renew. Sustain. Energy Rev. 2016, 58, 1189. doi: 10.1016/j.rser.2015.12.249

    6. [6]

      杨化超, 薄拯, 帅骁睿, 严建华, 岑可法.物理化学学报, 2019, 35, 200.doi: 10.3866/PKU.WHXB201803083Yang, H. C.; Bo, Z.; Shuai, X. R.; Yan, J. H.; Cen, K. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 200. doi: 10.3866/PKU.WHXB201803083

    7. [7]

      Kanchev, H.; Lu, D.; Colas, F.; Lazarov, V.; Francois, B. IEEE T. Ind. Electron. 2011, 58, 4583. doi: 10.1109/TIE.2011.2119451

    8. [8]

      吴中, 张新波.物理化学学报, 2017, 33, 305.doi: 10.3866/PKU.WHXB201611012Wu, Z.; Zhang, X. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 305. doi: 10.3866/PKU.WHXB201611012

    9. [9]

      Yang, H.; Zhang, X.; Yang, J.; Bo, Z.; Hu, M.; Yan, J.; Cen, K. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 153. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b02659

    10. [10]

      Simon, P.; Gogotsi, Y. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1094. doi: 10.1021/ar200306b

    11. [11]

      Jiang, J.; Liu, B.; Liu, G.; Qian, D.; Yang, C.; Li, J. Electrochim. Acta 2018, 274, 121. doi: 10.1016/j.electacta.2018.04.097

    12. [12]

      Qiu, Z.; Wang, Y.; Bi, X.; Zhou, T.; Zhou, J.; Zhao, J.; Miao, Z.; Yi, W.; Fu, P.; Zhuo, S. J. Power Sources 2018, 376, 82. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.11.077

    13. [13]

      Yang, J.; Wu, H.; Zhu, M.; Ren, W.; Lin, Y.; Chen, H.; Pan, F. Nano Energy 2017, 33, 453. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.02.007

    14. [14]

      Quan, H.; Fan, X.; Wang, W.; Gao, W.; Dong, Y.; Chen, D. Appl. Surf. Sci. 2018, 460, 8. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.01.202

    15. [15]

      Moyo, B.; Momodu, D.; Fasakin, O.; Bello, A.; Dangbegnon, J.; Manyala, N. J. Mater. Sci. 2018, 53, 5229. doi: 10.1007/s10853-017-1911-y

    16. [16]

      Fedorov, M. V.; Kornyshev, A. A. Chem. Rev. 2014, 114, 2978. doi: 10.1021/cr400374x

    17. [17]

      MacFarlane, D. R.; Tachikawa, N.; Forsyth, M.; Pringle, J. M.; Howlett, P. C.; Elliott, G. D.; Davis, J. H.; Watanabe, M.; Simon, P.; Angell, C. A. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 232. doi: 10.1039/c3ee42099j

    18. [18]

      Gong, Y.; Li, D.; Luo, C.; Fu, Q.; Pan, C. Green Chem. 2017, 19, 4132. doi: 10.1039/c7gc01681f

    19. [19]

      Tian, J.; Cui, C.; Zheng, C.; Qian, W. Chin. Chem. Lett. 2018, 29, 599. doi: 10.1016/j.cclet.2018.01.027

    20. [20]

      Branco, L. C.; Rosa, J. N.; Ramos, J. J. M.; Afonso, C. A. M. Chem. -Eur. J. 2002, 8, 3671. doi: 10.1002/1521-3765(20020816)8:16 <3671::AID-CHEM3671>3.0.CO;2-9

    21. [21]

      Elaiwi, A.; Hitchcock, P. B.; Seddon, K. R.; Srinivasan, N.; Tan, Y. M.; Welton, T.; Zora, J. A. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1995, 21, 3467. doi: 10.1039/DT9950003467

    22. [22]

      Vraneš, M.; Papović, S.; Tot, A.; Zec, N.; Gadžurić, S. J. Chem. Thermodyn. 2014, 76, 161. doi: 10.1016/j.jct.2014.03.025

    23. [23]

      Stoppa, A.; Hunger, J.; Buchner, R. J. Chem. Eng. Data 2009, 54, 472. doi: 10.1021/je800468h

    24. [24]

      Li, W.; Zhang, Z.; Han, B.; Hu, S.; Xie, Y.; Yang, G. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6452. doi: 10.1021/jp071051m

    25. [25]

      Feng, G.; Huang, J.; Sumpter, B. G.; Meunier, V.; Qiao, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 14723. doi: 10.1039/c1cp21428d

    26. [26]

      Hantel, M. M.; Płatek, A.; Kaspar, T.; Nesper, R.; Wokaun, A.; Kötz, R. Electrochim. Acta 2013, 110, 234. doi: 10.1016/j.electacta.2013.04.032

    27. [27]

      Hummers, W. S.; Offeman, R. E. J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339. doi: 10.1021/ja01539a017

    28. [28]

      Bo, Z.; Zhu, W.; Ma, W.; Wen, Z.; Shuai, X.; Chen, J.; Yan, J.; Wang, Z.; Cen, K.; Feng, X. Adv. Mater. 2013, 25, 5799. doi: 10.1002/adma.201301794

    29. [29]

      Wang, X.; Zhi, L.; Müllen, K. Nano Lett. 2008, 8, 323. doi: 10.1021/nl072838r

    30. [30]

      Zhu, Y.; Murali, S.; Stoller, M. P.; Ganesh, K. J.; Cai, W.; Ferreira, P. J.; Pirkle, A.; Wallace, R. M.; Cychosz, K. A.; Thommes, M.; et al. Science 2011, 332, 1537. doi: 10.1126/science.1200770

    31. [31]

      Kim, T.; Jung, G.; Yoo, S.; Suh, K. S.; Ruoff, R. S. ACS Nano 2013, 7, 6899. doi: 10.1021/nn402077v

    32. [32]

      Qi, H.; Bo, Z.; Yang, S.; Duan, L.; Yang, H.; Yan, J.; Cen, K.; Ostrikov, K. Energy Storage Mater. 2018, doi: 10.1016/j.ensm.2018.07.019

    33. [33]

      Ye, J.; Tan, H.; Wu, S.; Ni, K.; Pan, F.; Liu, J.; Tao, Z.; Qu, Y.; Ji, H.; Simon, P.; et al. Adv. Mater. 2018, 30, 1801384. doi: 10.1002/adma.201801384

    34. [34]

      Xu, J.; Tan, Z.; Zeng, W.; Chen, G.; Wu, S.; Zhao, Y.; Ni, K.; Tao, Z.; Ikram, M.; Ji, H.; et al. Adv. Mater. 2016, 28, 5222. doi: 10.1002/adma.201600586

    35. [35]

      苏鹏, 郭慧林, 彭三, 宁生科.物理化学学报, 2012, 28, 2745.doi: 10.3866/PKU.WHXB20120822Su, P.; Guo, H. L.; Peng, S.; Ning, S. K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 2745. doi: 10.3866/PKU.WHXB20120822

    36. [36]

      Bo, Z.; Shuai, X.; Mao, S.; Yang, H.; Qain, J.; Chen, J.; Yan, J.; Cen, K. Sci. Rep. 2014, 4, 4684. doi: 10.1038/srep04684

    37. [37]

      杜惟实, 吕耀康, 蔡志威, 张诚.物理化学学报, 2017, 33, 1828.doi: 10.3866/PKU.WHXB201705089Du, W. S.; Lu, Y. K.; Cai, Z. W.; Zhang, C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1828. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705089

    38. [38]

      王永芳, 左宋林.物理化学学报, 2016, 32, 481.doi: 10.3866/PKU.WHXB201511041Wang, Y. F.; Zuo, S. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 481. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511041

    39. [39]

      Xu, B.; Yue, S.; Sui, Z.; Zhang, X.; Hou, S.; Cao, G.; Yang, Y. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2826. doi: 10.1039/c1ee01198g

    40. [40]

      Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. D.; Kleinhammes, A.; Jia, Y. Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. B. T.; Ruoff, R. S. Carbon 2007, 45, 1558. doi: 10.1016/j.carbon.2007.02.034

    41. [41]

      Burt, R.; Breitsprecher, K.; Daffos, B.; Taberna, P. L.; Simon, P.; Birkett, G.; Zhao, X. S.; Holm, C.; Salanne, M. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 4015. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b01787

    42. [42]

      Xu, C.; Du, H.; Li, B.; Kang, F.; Zeng, Y. J. Electrochem. Soc. 2009, 156, A435. doi: 10.1149/1.3106112

    43. [43]

      Taberna, P. L.; Simon, P.; Fauvarque, J. F. J. Electrochem. Soc. 2003, 150, A292. doi: 10.1149/1.1543948

    44. [44]

      Cai, Y.; Luo, Y.; Dong, H.; Zhao, X.; Xiao, Y.; Liang, Y.; Hu, H.; Liu, Y.; Zheng, M. J. Power Sources 2017, 353, 260. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.04.021

    45. [45]

      Zhou, Y.; Ren, J.; Xia, L.; Zheng, Q.; Liao, J.; Long, E.; Xie, F.; Xu, C.; Lin, D. Electrochim. Acta 2018, 284, 336. doi: 10.1016/j.electacta.2018.07.134

    46. [46]

      Guo, H.; Ding, B.; Wang, J.; Zhang, Y.; Hao, X.; Wu, L.; An, Y.; Dou, H.; Zhang, X. Carbon 2018, 136, 204. doi: 10.1016/j.carbon.2018.04.079

    47. [47]

      Wang, K.; Song, Y.; Yan, R.; Zhao, N.; Tian, X.; Li, X.; Guo, Q.; Liu, Z. Appl. Surf. Sci. 2017, 394, 569. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.10.161

    48. [48]

      Wang, Y. Y.; Hou, B. H.; Lü, H. Y.; Lü, C. L.; Wu, X. L. ChemistrySelect 2016, 1, 1441. doi: 10.1002/slct.201600133

    49. [49]

      Xie, L.; Sun, G.; Su, F.; Guo, X.; Kong, Q.; Li, X.; Huang, X.; Wan, L.; Song, Wen.; Li, K.; et al. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 1637. doi: 10.1039/c5ta09043a

    50. [50]

      Yoo, Y. E.; Park, J.; Kim, W. Appl. Surf. Sci. 2018, 433, 765. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.10.044

    51. [51]

      Barzegar, F.; Bello, A.; Momodu, D.; Madito, M. J.; Dangbegnon, J.; Manyala, N. J. Power Sources 2016, 309, 245. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.01.097

    52. [52]

      Wu, S.; Hui, K. S.; Hui, K. N.; Yun, J. M.; Kim, K. H. Chem. Eng. J. 2017, 317, 461. doi: 10.1016/j.cej.2017.02.040

    53. [53]

      Zhao, D.; Chen, C.; Zhang, Q.; Chen, W.; Liu, S.; Wang, Q.; Liu, Y.; Li, J.; Yu, H. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700739. doi: 10.1002/aenm.201700739

    54. [54]

      Burke, A. J. Power Sources 2000, 91, 37. doi: 10.1016/S0378-7753(00)00485-7

    55. [55]

      Simon, P.; Gogotsi, Y.; Dunn, B. Science 2014, 343, 1210. doi: 10.1126/science.1249625

    56. [56]

      Gogotsi, Y.; Simon, P. Science 2011, 334, 917. doi: 10.1126/science.1213003

    57. [57]

      Liu, C.; Yu, Z.; Neff, D.; Zhamu, A.; Jang, B. Z. Nano Lett. 2010, 10, 4863. doi: 10.1021/nl102661q

    58. [58]

      Thackeray, M. M.; Wolverton, C.; Isaacs, E. D. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7854. doi: 10.1039/c2ee21892e

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  20
  • 文章访问数:  1025
  • HTML全文浏览量:  226
文章相关
  • 发布日期:  2019-07-15
  • 收稿日期:  2018-10-08
  • 接受日期:  2018-11-19
  • 修回日期:  2018-11-10
  • 网络出版日期:  2018-07-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章