活性炭在儲(chǔ)電設(shè)備中通常應(yīng)用于作為陰極材料，雖然鋰電池在能量方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，然而，通常鋰離子電池從它們的低功率密度和循環(huán)過(guò)程中由于固有的緩慢固態(tài)擴(kuò)散和活性物質(zhì)的凝聚差會(huì)使循環(huán)穩(wěn)定性受到影響。所以需要研究可以替代的產(chǎn)品，非水鈉離子電容器是一種可持續(xù)發(fā)電的設(shè)備，因?yàn)殁c資源豐富而且鈉和鋰的物理和化學(xué)性質(zhì)相似。本期展示了使用雙碳鈉離子電容器裝置采用氮硫共摻雜活性炭作為陽(yáng)極，活性炭作為陰極，具高能量密度，高功率密度，循環(huán)壽命長(zhǎng)的電容器。

　　活性炭電容材料的制備

　　氮硫共摻雜活性炭的制造過(guò)程涉及兩個(gè)主要步驟，如圖1a中所示。原材料在管式爐中在800℃，氬氣下加熱處理2小時(shí)，得到氮硫共摻雜活性炭。為了比較，在不存在硫的情況下，通過(guò)與氮硫共摻雜活性炭相同的方法獲得氮摻雜的活性炭。如圖1b所示與原始活性炭相比，已經(jīng)證明氮摻雜活性炭作為鈉儲(chǔ)存的陽(yáng)極材料顯示出很大的改進(jìn)。與氮相比，摻雜的硫原子具有更大的尺寸和更小的電負(fù)性，這進(jìn)一步擴(kuò)大了層間距，產(chǎn)生活性位點(diǎn)，并顯著增強(qiáng)了活性炭材料的電子性質(zhì)。作為二進(jìn)制雜原子摻雜的正協(xié)同效應(yīng)的結(jié)果，氮硫共摻雜活性炭將實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性和大層間距離，這提供了優(yōu)異的鈉離子存儲(chǔ)性能。

　　圖1：(a)氮硫共摻雜活性炭合成的示意圖，以及(b)具有不同幾何構(gòu)型和不同層間距離的三種活性炭對(duì)鈉儲(chǔ)存的行為。

　　鈉離子半電池性能

　　為了進(jìn)一步描述制成活性炭的電化學(xué)行為，進(jìn)行循環(huán)伏安法和恒電流充電放電測(cè)試。為了證明活性炭的優(yōu)點(diǎn)，還在相同的質(zhì)量負(fù)載下測(cè)試了幾種活性炭的Na儲(chǔ)存性能，圖2a顯示了在0.05至10Ag-1的不同電流密度下測(cè)試5個(gè)循環(huán)。與其他兩個(gè)樣品相比，氮硫共摻雜活性炭顯示出優(yōu)異的速率性能，在高速測(cè)量之后仍然可以恢復(fù)高比容量。對(duì)于沒(méi)有S摻雜的活性炭，當(dāng)電流密度增加時(shí)，電極提供的容量降低。相比之下，不同電流密度下的恒電流充電放電曲線​​進(jìn)一步證實(shí)了這些速率的結(jié)果。因此，氮硫共摻雜活性炭電極表現(xiàn)出比其他對(duì)照樣品好得多的速率性能和優(yōu)異的鈉儲(chǔ)存性能。

　　圖2：合成的幾種活性炭的電化學(xué)性能。速率表現(xiàn)(a和b)。不同電流密度下的恒電流充電放電曲線​​(c)。在電流密度為0.5-5.0時(shí)的循環(huán)性能(d和e)。

　　活性炭鈉離子電容器

　　如圖3a所示，使用氮硫共摻雜活性炭作為陽(yáng)極并且商業(yè)活性炭作為陰極在電解質(zhì)溶液中構(gòu)建的鈉離子電容器裝置。在充電過(guò)程中，ClO 4-離子在活性炭的多孔結(jié)構(gòu)中被吸收，而來(lái)自電解質(zhì)的Na離子被插入到氮硫共摻雜活性炭中。放電過(guò)程與充電過(guò)程相反。在制造鈉離子電容器之前，氮硫共摻雜活性炭電極在預(yù)活化10個(gè)循環(huán)在Na離子半電池中獲得高效率，然后放電至0.01V的截止電壓。此外，研究了活性炭作為陰極的電化學(xué)性能，以評(píng)估陰極和陽(yáng)極之間的電荷平衡。活性炭的比表面積高達(dá)1500以上。根據(jù)活性炭陰極和氮硫共摻雜活性炭陽(yáng)極的比容量值，鈉離子電容器中氮與硫摻雜活性炭的質(zhì)量比為3：1。

　　圖3：(a)活性炭制成的鈉離子電容器。(b)各種掃描速率的CV曲線。(c)基于活性炭陽(yáng)極陰極的總質(zhì)量，在不同電流密度下電容器的恒電流充電放電曲線​​。(d)活性炭電容器的循環(huán)性能。

　　通過(guò)簡(jiǎn)便可控的方法成功合成了氮硫共摻雜活性炭，并且已經(jīng)提出了它們作為鈉離子電容器的陽(yáng)極優(yōu)異的鈉儲(chǔ)存性能。氮硫共摻雜活性炭和獨(dú)特的分級(jí)空心一維纖維結(jié)構(gòu)是儲(chǔ)存性能的原因。更重要的是，氮硫的雙摻雜大大降低了鈉離子電容器的陰極和陽(yáng)極之間電極動(dòng)力學(xué)的不匹配，擁有高能量密度和高功率密度，再加上理性的循環(huán)壽命，一個(gè)優(yōu)秀性能的電容器誕生了。

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