NML研究文章 | 高性能超级电容器负极材料: 新型3D分级多孔结构氮化钒/碳膜


本文亮点

1  采用多相聚合物体系制备具有分级多孔3D结构的氮化钒/碳复合膜。聚合物起到了前驱体和造孔剂的作用,而氮化钒量子点(5 nm)均匀分布于碳膜体相之中。

2  基于氮化钒/碳膜的负极电极材料在0.5 A/g电流密度下的比容量为392.0 F/g。将氮化钒/碳膜材料与Ni(OH)2组装成非对称超级电容器,其功率密度在800 W/kg时能量密度可以达到43.0 Wh/kg。在1.0 A/g的电流密度下经8000次循环充放电后,器件的比容量保持率为82.9%。


内容简介

过渡金属氮化物具有较宽的电位窗口和良好的电化学性能,但循环稳定性差和合成路线复杂等原因限制了其在储能领域的实际应用。

虽然目前氮化钒的研究取得了一定的进展,但是其容量以及循环性能还有待进一步提高。因此,研发兼具高比容量和高循环稳定性的氮化钒基负极材料具有重要意义。

兰州理工大学冉奋副教授课题组,采用乙酰丙酮氧钒作为钒源引入到聚丙烯腈基的铸膜液中,通过简单高效的液-液相转化法在氨气和氮气混合气体中的热处理制备了不对称的分级多孔氮化钒/碳复合膜

研究了添加剂聚乙二醇、嵌段共聚(PAN-b-PMMA-b-PAN)对复合材料内部孔径、表面浸润性以及电化学性能的影响。


图文导读

1  多孔氮化钒/碳复合膜的结构

这种有效的制备氮化钒/碳复合材料的方法的优点:

(1) 同时含有钒源和碳源的铸膜液为氮化钒均匀分散在三维多孔系统中提供了条件,在此互穿网络结构中,氮化钒量子点约为5 nm;

(2) 在相转化过程中,PEG会移动到膜表面,通过热处理后产生含氧基团,可以改善电极在电解液中的浸润性;

(3) 溶剂交换PEG迁移嵌段共聚物的自组装将带来一种不对称的三维聚合物膜,形成丰富的分级多孔结构。

2  多孔氮化钒/碳复合膜的表征

VN/C(I)的SEM图像:a-c)横截面图和d)表面图。e,f) VN/C(I)的TEM图像。g,h) N2吸附-解吸等温线和VN/C(I)的孔径分布。


3  多孔氮化钒/碳复合膜电化学性能

基于氮化钒/碳膜的负极电极材料在0.5 A/g电流密度下的比容量为392.0 F/g。组装的非对称器件的性能优于最近报道的相关氮化钒基超级电容器的性能,在1 A/g电流密度下循环8000圈后的比电容保持率为82.9 %。

优良的电化学稳定性主要归功于活性物质量子点镶嵌在碳基质中。在此结构中,多孔碳基质提供优异的导电性,同时还可以消除循环过程中体积改变引起的应力变化,进而有效阻止纳米晶氮化钒在循环过程中的聚集。


作者简介

主要研究方向:

高分子设计与合成;高分子能源材料;生物医用高分子;高分子膜材料及改性。

主页链接:

http://ge.lut.cn/htm/20179/99_1804.htm

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