陳 瑋,孫曉剛,蔡滿園,聶艷艷,邱治文,陳 瓏
(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,南昌 330031)
隨著能源需求的日益增長和新型儲能裝置的日益發(fā)展,亟須尋找兼具高能量密度和高功率密度的儲能器件,超級電容器所具備的大功率充放電的特性,能有效彌補(bǔ)電池的不足[1]。超級電容器也稱電化學(xué)電容器,是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種新型儲能器件,由于電解液中正、負(fù)離子在電場作用下會向兩極移動和在電極表面會發(fā)生氧化還原反應(yīng),導(dǎo)致其比傳統(tǒng)電容器能夠提供更大的容量,高倍率充放電性能則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于二次電池[2]。
碳元素是自然界中最重要的元素之一,一直是科學(xué)家們研究的焦點(diǎn)。碳納米管自從1991[3]年被發(fā)現(xiàn)以來,在鋰電池[4-5]、復(fù)合材料[6]、超級電容器[7-9]、催化等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。此外不同結(jié)構(gòu)的碳材料之間的復(fù)合,如石墨烯與碳納米管的復(fù)合[10-13],豐富了碳材料的種類并開拓了應(yīng)用。碳納米管(MWCNTs)具有高的比表面積,但是由于生長過程中存在缺陷,以及自身團(tuán)聚嚴(yán)重,很難分散,限制了碳納米管的使用[14]。晶須狀碳納米管(WMWCNTs)[15-17]呈直線狀,缺陷少,高導(dǎo)電性,易分散,但是比表面積一般較小。近年來,柔性儲能器件[18-19]成為研究熱點(diǎn),而紙具有易成型性、柔韌性、吸附性等優(yōu)秀的物理化學(xué)性能,碳(WMWCNTs)/碳(MWCNTs)/纖維素復(fù)合紙就綜合了三者的優(yōu)點(diǎn),即晶須狀碳納米管優(yōu)良的導(dǎo)電性、易分散性和碳納米管高的比表面積以及紙的柔韌性。晶須狀碳納米管在團(tuán)聚狀碳納米管之間能形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因此有望應(yīng)用在超級電容器上。如鄭譞等[20]以聚多巴胺包覆碳納米管為載體,利用簡單的溶液浸漬法制備了磷鉬酸負(fù)載碳納米管復(fù)合物,獲得了高達(dá)511.7F/g的比電容。Schopf等[21]通過在耐熱基材上熱解多孔PVDF-MWCNT-納米復(fù)合膜制備多孔碳-MWCNT-納米復(fù)合膜,比容量達(dá)到121F/g。
本工作利用苯為碳源,采用CVD法合成晶須狀碳納米管,利用CH4為碳源,合成碳納米管。通過真空抽濾制得碳/碳/纖維素復(fù)合紙,并將其應(yīng)用于超級電容器中,且該碳/碳/纖維素復(fù)合紙電極呈現(xiàn)出良好的雙電層電容性能。
苯(C6H6,純度99.95%,株洲光明環(huán)??萍加邢薰?;二茂鐵(C10H10Fe,純度99.95%,湖北鑫鶴化工有限公司);噻吩(C4H4S,純度99.95%,成都科隆化學(xué)品有限公司);無水乙醇(純度99%);去離子水;十二烷基硫酸鈉(SDS)。
采用苯為碳源,二茂鐵為催化劑,與噻吩加入苯中攪拌均勻,流量由微量泵控制;載氣由氫氣和氬氣組成,流量由質(zhì)量流量計(jì)控制。碳源隨載氣噴入立式爐中進(jìn)行反應(yīng),調(diào)節(jié)二茂鐵和噻吩的含量、苯與氫氣的比例,在一定溫度梯度下制備樣品,詳細(xì)見本實(shí)驗(yàn)組專利[22]。采用鎳基催化劑,以CH4為碳源,氫氣為還原氣體,在管式爐中合成碳納米管。
通過Quanta200F掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌,利用DI SYSTEM X射線衍射儀、InVia拉曼光譜儀對樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,采用ASAP2460物理吸附儀測試樣品的比表面積以及ST2258C多功能數(shù)字式四探針測試儀測試表面電阻。
取一定量的WMWCNTs,MWCNTs分別置于瑪瑙罐中,以200r/min轉(zhuǎn)速在行星式球磨機(jī)中球磨2h,取球磨后的WMWCNTs 0.25g和MWCNTs 0.25g,進(jìn)行1∶1混合,分散劑SDS 0.050g,用適量的無水乙醇潤濕,加入100mL去離子水,超聲處理20min,在FA25中以10000r/min高速剪切40min,制成WMWCNT s/MWCNT s分散液。將0.5g紙纖維于200mL去離子水中打碎,獲得200mL的紙纖維懸浮液,將懸浮液和上述分散液混合剪切1h后用真空抽濾法制得碳/碳/纖維素復(fù)合紙,紙直徑為150mm,厚度為0.5mm。制成的碳/碳/纖維素復(fù)合紙,用玻璃壓實(shí),置于120℃真空干燥箱中干燥24h,切成直徑14mm的極片,極片在電子天平上稱重,以LiPF6為電解液,多孔性聚乙烯膜為隔膜,在Ar保護(hù)氣體手套箱中按電極、隔膜、電極對稱的方式組裝成紐扣電池。
稱取WMWCNTs 0.5g,按上述方法制得WMWCNTs復(fù)合紙電極;稱取MWCNTs 0.5g,按上述方法制得MWCNTs復(fù)合紙電極。
電化學(xué)性能測試采用兩電極體系,以碳/碳/纖維素復(fù)合紙電極為正負(fù)極,組裝成對稱超級電容器,此種測試更能體現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用性,使用的電解液為1mol/L的LiPF6(EC∶DMC=1∶1),循環(huán)伏安(CV)在CHI630E型電化學(xué)工作站上進(jìn)行測試,其電位窗口為0~3.0V,掃描速率為1~100mV/s。恒流充放電(GCD)在CT-3008W-5V5mA-S4電池測試柜上進(jìn)行,電流密度為0.4~3.2A/g。
圖1(a)為MWCNTs的掃描電鏡圖,可以看出MWCNTs呈團(tuán)聚狀,彎曲纏繞,缺陷多。圖1(b)為WMWCNTs 的掃描電鏡圖,WMWCNTs 管徑在30~80nm,呈直線狀,管壁光滑,缺陷少,纏繞少,具有易分散、結(jié)晶度高的特點(diǎn)。圖1(c)為制備的碳/碳/纖維素復(fù)合紙的掃描電鏡圖,可以看出其是一種多孔結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)易于存儲電解液,紙纖維為骨架,WMWCNTs與MWCNTs依附在紙纖維上,并填充于纖維空隙間,WMWCNTs在團(tuán)聚的碳納米管之間搭建橋梁,以紙纖維為基體形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),有利于電子的傳輸,碳/碳/纖維素復(fù)合紙的方塊電阻為40Ω/m2,展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性能。圖1(d)為碳/碳/纖維素復(fù)合紙的宏觀形貌圖,此復(fù)合紙具有一定的柔韌性,可應(yīng)用于柔性儲能器件。
圖2(a)為WMWCNTs,MWCNTs的N2吸脫附等溫線,曲線有明顯的尾部后翹,WMWCNTs和MWCNTs類似于2型圖譜即相對壓力較小時(shí)主要是單分子層吸附,隨著相對壓力增加其吸附量急劇增加,說明孔徑分布寬,具有出現(xiàn)中孔的特征。圖2(b),(c)分別為MWCNTs和WMWCNTs的孔徑分布圖,主要以中孔為主,MWCNTs在2~5nm處有一個(gè)比較大的峰,說明樣品的孔徑主要集中在這個(gè)范圍,在10nm以上也有一定的分布。WMWCNTs的孔徑主要集中在2~40nm范圍,在大于40nm也有較多的孔分布。表1為各樣品比表面積(SBET)、孔容以及平均孔徑等參數(shù),WMWCNTs比表面積為21m2/g,MWCNTs比表面積為153m2/g。WMWCNTs孔容為0.20cm3/g,平均孔徑12.8nm,MWCNTs孔容為0.85cm3/g,平均孔徑13.44nm,通過對比發(fā)現(xiàn),MWCNTs的比表面積遠(yuǎn)大于WMWCNTs的比表面積,MWCNTs的孔容稍小于WMWCNTs的孔容,平均孔徑基本不變。
圖1 WMWCNTs(a),MWCNTs (b)和碳/碳/纖維素復(fù)合紙(c)SEM照片與碳/碳/纖維素復(fù)合紙像(d)Fig.1 SEM images of WMWCNTs(a), WMWCNTs(b), WMWCNTs/MWCNTs composite paper(c) and photos of WMWCNTs/MWCNTs composite paper(d)
圖2 WMWCNTs,MWCNTs的等溫吸附曲線與孔徑分布曲線 (a)等溫吸附曲線;(b)MWCNTs孔徑分布曲線;(c)WMWCNTs孔徑分布曲線Fig.2 Nitrogon adsorption/desorption isotherms and pore size distribution of MWCNTs and WMWCNTs (a)nitrogon adsorption/desorption isotherms;(b)pore size distribution of MWCNTs;(c)pore size distribution of WMWCNTs
表1 WMWCNTs,MWCNTs樣品比表面積、孔容、孔徑參數(shù)Table 1 WMWCNTs,MWCNTs composite paper pore structure parameters
利用XRD和拉曼光譜對WMWCNTs和MWCNTs材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,其結(jié)果見圖3。在XRD圖中(圖(3(a))),WMWCNTs和MWCNTs的衍射峰均在2θ為26°處,擇優(yōu)取向是(002)晶面,其中WMWCNTs衍射峰較為尖銳,說明該碳納米管結(jié)晶度高,材料的導(dǎo)電性能良好。MWCNTs出現(xiàn)的一些雜峰,為制備MWCNTs過程中的催化劑成分,在拉曼譜圖上(圖3(b)),WMWCNTs和MWCNTs都有兩個(gè)明顯的峰,分別對應(yīng)于約1348cm-1D帶和約1586cm-1G帶,D帶峰與無定形碳的散射密切相關(guān),是由碳納米管的無序性造成的,而G帶的振動與二維(平面)六角形晶格的sp2成鍵原子有關(guān),通常用G帶與D帶的強(qiáng)度之比(IG/ID)來評價(jià)碳材料的石墨化程度。WMWCNTs 兩峰強(qiáng)度之比為4.61,表明所制備的WMWCNTs具有較高的石墨化程度。另外,在2750cm-1處觀察到一個(gè)尖銳的2D帶峰,進(jìn)一步說明樣品的結(jié)晶度高。MWCNTs兩峰強(qiáng)度之比為0.58,表明MWCNTs缺陷多,石墨化程度低。
圖3 WMWCNTs,MWCNTs 的X射線衍射圖譜(a)和拉曼圖譜(b)Fig.3 XRD patterns(a) and Raman spectra(b) of WMWCNTs,MWCNTs
圖5(a)為MWCNTs復(fù)合紙?jiān)诓煌娏髅芏认碌暮懔鞒浞烹娗€圖;圖5(b)為WMWCNTs復(fù)合紙?jiān)诓煌娏髅芏认碌暮懔鞒浞烹娗€圖;圖5(c)為WMWCNTs/MWCNTs復(fù)合紙?jiān)诓煌娏髅芏认碌暮懔鞒浞烹娗€圖。電流密度分別為0.4,0.6,0.8,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4A/g??梢钥闯鯳MWCNTs/MWCNTs復(fù)合紙電極的恒流充放電曲線近似于等腰三角形,證明有良好的電容特性,反觀純MWCNTs復(fù)合紙和純WMWCNTs復(fù)合紙電極充放電曲線出現(xiàn)明顯的扭曲現(xiàn)象。電極材料的比電容值也可以通過公式C=2IΔt/(mΔV)[23],其中I代表放電電流;m為單個(gè)極片活性物質(zhì)質(zhì)量;ΔV,Δt由除去IR降的放電曲線電勢和放電時(shí)間。圖5(d)為不同復(fù)合紙電極在不同電流密度下的比電容值。在電流密度為400mA/g時(shí),WMWCNTs/MWCNTs復(fù)合紙電極的比電容達(dá)到51.5F/g,為MWCNTs復(fù)合紙電極比電容的3倍。隨著電流密度的增加,WMWCNTs/MWCNTs復(fù)合紙電極充放電時(shí)間減少,但是放電的壓降也隨之增大,放電的實(shí)際容量會隨之降低,從0.6A/g到1.4A/g其電容有所下降,但電容保留量仍達(dá)70%,充分說明此碳/碳/纖維素復(fù)合紙超級電容器具有良好的雙電層電容特性。
圖4 酸化前后的碳/碳/纖維素復(fù)合紙電極的循環(huán)伏安曲線 (a)碳/碳/纖維素復(fù)合紙;(b)酸化后的碳/碳/纖維素復(fù)合紙;(c)在掃描速率為100mV/s對比;(d)比容量對比Fig.4 Cycle voltammetry curves of WMWCNTs/MWCNTs composite paper electrodes before and after acidizing(a)WMWCNTs/MWCNTs composite paper;(b)WMWCNTs/MWCNTs composite paper after acidizing;(c)at a scan rate of 100mV/s;(d)specific capacitance versus scan rate
圖5 不同復(fù)合紙電極在不同電流密度下的恒流充放電曲線和比電容與電流關(guān)系曲線(a)MWCNTs復(fù)合紙;(b)WMWCNTs復(fù)合紙;(c)WMWCNTs/MWCNTs復(fù)合紙;(d)比電容與電流關(guān)系曲線Fig.5 Galvanostatic charge-discharge curves of electrodes with different composite papers electrodes and specific capacitance with different current density (a)MWCNTs composite paper;(b)WMWCNTs composite paper;(c)WMWCNTs/MWCNTs composite paper;(d)specific capacitance with different current density
圖6為不同復(fù)合紙電極的比能量和比功率圖,比能量Esp和比功率Psp可以通過公式計(jì)算,其公式為Esp=CspV2/2;Psp=Esp/t[24],其中Csp表示比電容,根據(jù)GCD曲線計(jì)算得到,計(jì)算能量密度時(shí),根據(jù)單個(gè)極片總質(zhì)量計(jì)算得到;V表示充電電壓;t表示放電時(shí)間。在電流密度為0.4~1.4A/g的范圍內(nèi),WMWCNTs/MWCNTs復(fù)合紙電極最高比能量和比功率分別為63.7Wh/kg 和3.99kW/kg。
圖6 不同電流密度比能量與比功率Fig.6 Ragone plot (specific energy and specific power) of WMWCNTs/MWCNTs composite paper electrodes
圖7為碳/碳/纖維素復(fù)合紙電極在1mol/L LiPF6電解液于電流密度為0.8A/g下通過2700次充放電測試的循環(huán)壽命圖,可以看出比容量在500次以前呈現(xiàn)一個(gè)上升趨勢,在500次比容量達(dá)到106F/g,這是由于隨著循環(huán)次數(shù)的增加,離子浸入到導(dǎo)電紙的更深處,產(chǎn)生更大的比電容,在500次以后呈現(xiàn)一個(gè)緩慢下降的趨勢,在循環(huán)2700次后,比容量為31F/g。在100mV/s的掃描速率下,循環(huán)1,1200,2700次的循環(huán)伏安曲線圖如圖7(a)右上角所示,發(fā)現(xiàn)隨著掃描速率的增加,在1200次還保持了良好的矩形,同時(shí)矩形面積增加,說明比電容增加,在2700次循環(huán)后,出現(xiàn)較大的極化,說明電解液在循環(huán)過程中出現(xiàn)了分解,比電容減少。
圖7 碳/碳/纖維素復(fù)合紙電極的循環(huán)壽命圖Fig.7 Cycle performance of WMWCNTs/MWCNTs composite paper electrodes
(1)通過CVD法合成WMWCNTs和MWCNTs。結(jié)合 WMWCNTs的高導(dǎo)電性、易分散性和 MWCNTs高的比表面積制成碳/碳/纖維素復(fù)合紙。這種復(fù)合紙電極具有高的導(dǎo)電性和柔韌性,組裝成對稱型超級電容器,較單一碳納米管紙超級電容器具有更好的充放電性能。
(2)在掃描速率為1mV/s時(shí),碳/碳/纖維素復(fù)合紙電極的比容量達(dá)到120F/g。在電流密度為0.4A/g下,碳/碳/纖維素復(fù)合紙電極比容量值可達(dá)51.5F/g。在電流密度為0.4~1.4A/g范圍時(shí),最大比能量和比功率分別為63.7Wh/kg 和3.99kW/kg,表現(xiàn)出良好的超級電容器性能。