基于混合溶剂有机电解液的超低温孔洞石墨烯超级电容

薄拯 孔竞 杨化超 郑周威 陈鹏鹏 严建华 岑可法

引用本文: 薄拯, 孔竞, 杨化超, 郑周威, 陈鹏鹏, 严建华, 岑可法. 基于混合溶剂有机电解液的超低温孔洞石墨烯超级电容[J]. 物理化学学报, 2022, 38(4): 200505. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005054 shu
Citation:  Zheng Bo, Jing Kong, Huachao Yang, Zhouwei Zheng, Pengpeng Chen, Jianhua Yan, Kefa Cen. Ultra-Low-Temperature Supercapacitor Based on Holey Graphene and Mixed-Solvent Organic Electrolyte[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(4): 200505. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005054 shu

基于混合溶剂有机电解液的超低温孔洞石墨烯超级电容

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

    国家自然科学基金 51722604

    浙江省自然科学基金 LR17E060002

    浙江省重点研发项目 2019C01044

    中国博士后科学基金 2019M662048

摘要: 适用于极低温环境的石墨烯超级电容具有广阔的应用前景。然而,由于片层间严重的堆叠团聚,目前石墨烯超级电容的低温储能性能并不理想。本文使用H2O2氧化刻蚀法制备了孔洞石墨烯(rHGO),将传统有机溶剂碳酸丙烯酯(PC)和低凝固点溶剂甲酸甲酯(MF)混合制备了混合溶剂有机电解液,组装获得了能够在-60 ℃极低温环境下稳定工作的超级电容。结果表明,该超级电容在-60 ℃下的比电容为106.2 F·g-1,相对于常温电容(150.5 F·g-1)的性能保持率高达70.6%,显著优于未做处理的石墨烯(52.3%)以及文献中的其他石墨烯材料。得益于孔洞化形貌中丰富的介孔和大孔所形成的离子传输通道和缩短的离子传输路径,孔洞石墨烯内的离子扩散阻抗远小于普通石墨烯,且受温度降低的影响更小。在-60 ℃的极低温条件下,该超级电容表现出26.9 Wh·kg-1的最大能量密度和18.7 kW·kg-1的最大功率密度,优于传统碳材料的低温超级电容性能。-60 ℃时在5 A·g-1电流密度下循环充放电10000次后电容保持率达89.1%,具有良好的低温循环稳定性。

English

    1. [1]

      Zhang, L. L.; Zhao, X. S. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2520. doi: 10.1039/B813846J

    2. [2]

      Simon, P.; Gogotsi, Y. Nat. Mater. 2008, 7, 845. doi: 10.1038/nmat2297

    3. [3]

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

    4. [4]

      Huang, P.; Pech, D.; Lin, R.; Mcdonough, J. K.; Brunet, M.; Taberna, P.; Gogotsi, Y.; Simon, P. Electrochem. Commun. 2013, 36, 53. doi: 10.1016/j.elecom.2013.09.003

    5. [5]

      Li, X.; Wei, B. Nano Energy 2013, 2, 159. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.09.008

    6. [6]

      Brandon, E. J.; West, W. C.; Smart, M. C.; Whitcanack, L. D.; Plett, G. A. J. Power Sources 2007, 170, 225. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.04.001

    7. [7]

      Shi, Z.; Yu, X.; Wang, J.; Hu, H.; Wu, C. Electrochim. Acta 2015, 174, 215. doi: 10.1016/j.electacta.2015.05.133

    8. [8]

      Jänes, A.; Lust, E. J. Electroanal. Chem. 2006, 588, 285. doi: 10.1016/j.jelechem.2006.01.003

    9. [9]

      Cheng, F.; Yu, X.; Wang, J.; Shi, Z.; Wu, C. Electrochim. Acta 2016, 200, 106. doi: 10.1016/j.electacta.2016.03.113

    10. [10]

      Orita, A.; Kamijima, K.; Yoshida, M. J. Power Sources 2010, 195, 7471. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.05.066

    11. [11]

      Anouti, M.; Timperman, L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 6539. doi: 10.1039/C3CP44680H

    12. [12]

      Ruiz, V.; Huynh, T.; Sivakkumar, S. R.; Pandolfo, A. RSC Adv. 2012, 2, 5591. doi: 10.1039/C2RA20177A

    13. [13]

      Lang, J.; Zhang, X.; Liu, L.; Yang, B.; Yang, J.; Yan, X. J. Power Sources 2019, 423, 271. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.03.096

    14. [14]

      Kang, J.; Jayaram, S. H.; Rawlins, J.; Wen, J. Electrochim. Acta 2014, 144, 200. doi: 10.1016/j.electacta.2014.07.158

    15. [15]

      Korenblit, Y.; Kajdos, A.; West, W. C.; Smart, M. C.; Brandon, E. J.; Kvit, A.; Jagiello, J.; Yushin, G. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 1655. doi: 10.1002/adfm.201102573

    16. [16]

      Xu, J.; Yuan, N.; Razal, J. M.; Zheng, Y.; Zhou, X.; Ding, J.; Cho, K.; Ge, S.; Zhang, R.; Gogotsi, Y.; Baughman, R. H. Energy Storage Mater. 2019, 22, 323. doi: 10.1016/j.ensm.2019.02.016

    17. [17]

      Ye, L.; Liang, Q.; Huang, Z. H.; Lei, Y.; Zhan, C.; Bai, Y.; Li, H.; Kang, F.; Yang, Q. H. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 18860. doi: 10.1039/C5TA04581A

    18. [18]

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

    19. [19]

      Raccichini, R.; Varzi, A.; Passerini, S.; Scrosati, B. Nat. Mater. 2015, 14, 271. doi: 10.1038/nmat4170

    20. [20]

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

    21. [21]

      Xu, Y.; Lin, Z.; Zhong, X.; Huang, X.; Weiss, N. O.; Huang, Y.; Duan, X. Nat. Commun. 2014, 5, 4554. doi: 10.1038/ncomms5554

    22. [22]

      Lin, Z.; Taberna, P. L.; Simon, P. Electrochim. Acta 2016, 206, 446. doi: 10.1016/j.electacta.2015.12.097

    23. [23]

      Kang, J.; Atashin, S.; Jayaram, S. H.; Wen, J. Z. Carbon 2017, 111, 338. doi: 10.1016/j.carbon.2016.10.017

    24. [24]

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

    25. [25]

      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.; Lü, Y. K.; Cai, Z. W.; Zhang, C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1828. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705089

    26. [26]

      杨康, 帅骁睿, 杨化超, 严建华, 岑可法. 物理化学学报, 2019, 35, 755. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810009Yang, K.; Shuai, X. R.; Yang, H. C.; Yan, J. H.; Cen, K. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 755. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810009

    27. [27]

      Xu, Y.; Chen, C. Y.; Zhao, Z.; Lin, Z.; Lee, C.; Xu, X.; Wang, C.; Huang, Y.; Shakir, M. I.; Duan, X. Nano Lett. 2015, 15, 4605. doi: 10.1021/acs.nanolett.5b01212

    28. [28]

      Peng, L.; Fang, Z.; Zhu, Y.; Yan, C.; Yu, G. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702179. doi: 10.1002/aenm.201702179

    29. [29]

      Thomsen, C.; Reich, S. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 5214. doi: 10.1103/PhysRevLett.85.5214

    30. [30]

      Haynes, W. M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 95th ed.; CRC Press: Boca Raton, 2014.

    31. [31]

      Zhong, C.; Deng, Y.; Hu, W.; Qiao, J.; Zhang, L.; Zhang, J. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 7484. doi: 10.1039/C5CS00303B

    32. [32]

      Muench, S.; Wild, A.; Friebe, C.; Häupler, B.; Janoschka, T.; Schubert, U. S. Chem. Rev. 2016, 116, 9438. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00070

    33. [33]

      Izadi-Najafabadi, A.; Yamada, T.; Futaba, D. N.; Hatori, H.; Iijima, S.; Hata, K. Electrochem. Commun. 2010, 12, 1678. doi: 10.1016/j.elecom.2010.09.020

    34. [34]

      Tsai, W. Y.; Lin, R.; Murali, S.; Li, Zhang, L.; McDonough, J. K.; Ruoff, R. S.; Taberna, P. L.; Gogotsi, Y.; Simon, P. Nano Energy 2013, 2, 403. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.11.006

    35. [35]

      Vellacheri, R.; Al-Haddad, A.; Zhao, H.; Wang, W.; Wang, C.; Lei, Y. Nano Energy 2014, 8, 231. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.06.015

    36. [36]

      Zhang, S.; Pan, N. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401401. doi: 10.1002/aenm.201401401

    37. [37]

      Mathis, T. S.; Kurra, N.; Wang, X.; Pinto, D.; Simon, P.; Gogotsi, Y. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1902007. doi: 10.1002/aenm.201902007

    38. [38]

      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

    39. [39]

      Chen, L.; Li, H.; Yoshitake, H.; Qi, L.; Gu, N.; Wang, H. Electrochim. Acta 2015, 157, 333. doi: 10.1016/j.electacta.2014.09.161

    40. [40]

      Hung, K.; Masarapu, C.; Ko, T.; Wei, B. J. Power Sources 2009, 193, 944. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.01.083

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  15
  • 文章访问数:  542
  • HTML全文浏览量:  128
文章相关
  • 发布日期:  2022-04-15
  • 收稿日期:  2020-05-21
  • 接受日期:  2020-07-01
  • 修回日期:  2020-06-16
  • 网络出版日期:  2020-07-03
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