Обзор углеродных материалов для применения в литий-ионных аккумуляторах и суперконденсаторах
Авторы
DOI:
https://doi.org/10.31489/2024No4/14-22Ключевые слова:
литий-ионные аккумулятор, суперконденсатор, углеродные материалы, активированный уголь, углеродные аэрогель, нанопористый углеродАннотация
Данная обзорная статья посвящена анализу углеродных материалов, используемых в качестве электродов для литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов. В работе рассматриваются три основных класса материалов: активированный уголь, углеродные аэрогели и нанопористый углерод. В статье подробно описаны принципы работы различных типов конденсаторных систем, включая двойнослойные электрохимические конденсаторы, псевдоконденсаторы и гибридные конденсаторы. Особое внимание уделяется методам синтеза, структурным характеристикам и электрохимическим свойствам рассматриваемых углеродных материалов. Исследование рассматривает, как структура пор, площадь поверхности и наличие функциональных групп влияют на производительность электродов. Было изучено, как параметры процессов термической обработки и химической модификации, такие как температурный режим и продолжительность, воздействуют на характеристики синтезируемых углеродных структур. Обсуждаются преимущества и недостатки каждого типа материала, включая их удельную емкость, стабильность при циклировании и экономическую эффективность. Работа акцентирует внимание на необходимости тщательной настройки процесса синтеза для улучшения электрохимических свойств и освещает потенциал использования данных материалов в передовых системах хранения энергии. Этот обзор представляет собой важный источник информации для специалистов, занимающихся созданием инновационных материалов для литий-ионных батарей и суперконденсаторов, и указывает на перспективные направления дальнейших исследований в области электрохимических накопителей энергии.
Библиографические ссылки
Truong T.T.T., Le. L.T.M., Tran M.V., Vu P.T., Phung Q., Truong D.Q., Le P.M.L. (2004) Conventional supercapacitor electrolytes: aqueous, organic, and ionic. Supercapacitors, 245 – 265. DOI: 10.1016/b978-0-443-15478-2.00010-3.
Ding R., Chagnot M., Saeed S., Augustyn V. (2023) Nanostructured materials for electrochemical capacitors. In Comprehensive Inorganic Chemistry, Part III. Elsevier, 570. DOI: 10.1016/b978-0-12-823144-9.00128-x.
Mandal M., Chattopadhyay K., Mitra A., Haider D. (2024) 4.16-Micro-supercapacitors based on thin films: Journey so far. Comprehensive Materials Processing, Elsevier, 418. DOI: 10.1016/b978-0-323-96020-5.00092-3.
Callahan C.L., Cameron A.P., Forghani M., Donne S.W. (2024) Analysis of voltametric data from electrochemical capacitor electrode materials: Method refinement for improved outcomes. Electrochimica Acta, 475, 143619. DOI: 10.1016/j.electacta.2023.143619.
Sammed K.A., Farid A., Mustafa S., Kumar A., Tabish M., Khan A.A., Ajmal S., Mo Z., Akbar A.R., Yasin G., Zeng Y.J., Zhao W. (2023) Developing next-generation supercapacitor electrodes by coordination chemistry-based advanced functional carbon nanostructures: Progress, Current challenges and prospects. Fuel Processing Technology, 250, 107896. DOI:10.1016/j.fuproc.2023.107896.
Dong H., Sun K., Li X., Li H., You P., Chen S., Zhou J. (2024). Effects of organic acid and phosphoric acid at the low-voltage stage of the high-voltage forming process for the anode dielectric film of an aluminum electrolytic capacitor. International Journal of Electrochemical Science, 19(6), 100587. DOI: 10.1016/j.ijoes.2024.100587.
Chen C., Wei S., Zhang Q., Yang H., Xu J., Chen L., Liu X. (2024) High-performance VO2/CNT@PANI with core-shell construction enable printable in-planar symmetric supercapacitors. Journal of Colloid and Interface Science, 664, 53–62. DOI:10.1016/j.jcis.2024.03.012.
Arulepp M., Leis J., Lätt M., Miller F., Rumma K., Lust E., Burke A.F. (2006) The advanced carbide-derived carbon based supercapacitor. Journal of Power Sources, 162(2), 1460–1466. DOI 10.1016/j.jpowsour.2006.08.014.
Kaiser, T., von der Höh, N., Menzel, A. (2024). Computational multiscale modelling of material interfaces in electrical conductors. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 186, 105601. DOI: 10.1016/j.jmps.2024.105601.
Panda P., Mishra R., Panigrahy S., Barman S. (2021) Design of Co1Al3(OH)m/carbon nitride hybrid nanostructures for enhanced capacitive energy storage in an alkaline electrolyte. Materials Advances, 2(23), 7671–7680. DOI: 10.1039/d1ma00665g.
Du Y., Liu W., Cui Y., Fan H., Zhang Y., Wang T., Wang H., Jin Y., Liu S., Feng W., Chen M. (2021) Microzone-explosion synthesis of porous carbon electrodes for advanced aqueous solid-state supercapacitors with a high-voltage gel electrolyte. Journal of Energy Chemistry, 60, 95–103. DOI: 10.1016/j.jechem.2020.12.015.
Chauhan P.S., Sengupta R., Kumar S., Panwar V., Sahoo S., Bose S., Misra A. (2023) Role of graded microstructure and electrolyte distribution in electrochemical capacitance of compressible three-dimensional carbon nanotubes-polymer foam based supercapacitor. Electrochimica Acta, 461, 142595. DOI:10.1016/j.electacta.2023.142595.
Liu Y.-S., Ma C., Wang K.-X., Chen J.-S. (2023) Recent advances in porous carbons for electrochemical energy storage. New Carbon Materials, 38(1), 1–15. DOI: 10.1016/s1872-5805(23)60710-3.
Chen Y., Ma Y., Huang J., Xu H. (2022) Fabricating dual redox electrolyte to achieve ultrahigh specific capacitance and reasonable Coulombic efficiency for biomass activated carbon. Electrochimica Acta, 414, 140215. DOI:10.1016/j.electacta.2022.140215.
Abareghi M., Mohsen Saeidi S., Keshavarzi E. (2023) Effect of solvent on electric double layer capacitance and over screening inside spherical cavity by density functional theory. Journal of Molecular Liquids, 383, 122080. DOI: 10.1016/j.molliq.2023.122080.
Kazari H., Pajootan E., Sowa M., Coulombe S., Hubert P. (2023) Plasma-enhanced atomic layer deposition of ruthenium metal on free-standing carbon nanotube forest for 3D flexible binder-less supercapacitor electrodes. Journal of Energy Storage, 64, 107049. DOI: 10.1016/j.est.2023.107049.
Lai H., Li W., Zhou Y., He T., Xu L., Tian S., Wang X., Fan Z., Lei Z., Jiao H. (2019) Hydrophilically engineered polyacrylonitrile nanofiber aerogel as a soft template for large mass loading of mesoporous poly(3,4-ethylenedioxythiophene) network on a bare metal wire for high-rate wire-shaped supercapacitors. Journal of Power Sources, 441, 227212. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.227212.
Krishna B.H., Reddy C.P., Munirathnam K., Yusuf K., Nagajyothi P.C., Shim J. (2024) In-situ synthesis of coral reef-like synergistic zinc cobalt oxide and zinc manganese oxide composite as a battery-type electrode material for supercapacitors. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects, 694, 134148. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2024.134148.
Bao C., Chu P., Xu C., Yuan J., Si L., Bo Z., Ostrikov K., Yang H. (2024) More disorder is better: Cutting-edge progress of high entropy materials in electrochemical energy storage applications. Energy Storage Materials, 69, 103408. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103408.
Murovhi P., Tarimo D.J., Oyedotun K.O., Manyala N. (2020) High specific energy asymmetric supercapacitor based on alpha-manganese dioxide/activated expanded graphite composite and activated carbon-polyvinyl alcohol. Journal of Energy Storage, 32, 101797. DOI: 10.1016/j.est.2020.101797.
Eroglu O., Kizil H. (2023) Pseudocapacitive sodium-ion storage in one-dimensionally structured anatase TiO2 nanofiber anode for high performance sodium-ion batteries. The Journal of Physics and Chemistry of Solids, 178, 111352. DOI: 10.1016/j.jpcs.2023.111352.
Huo J., Xue Y., Wang X., Liu Y., Zhang L., Guo S. (2020) TiO2/carbon nanofibers doped with phosphorus as anodes for hybrid Li-ion capacitors. Journal of Power Sources, 473, 228551. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228551.
Reddy H.P.C., Amalraj J., Ranganatha S., Patil S.S., Chandrasekaran S. (2023) A review on effect of conducting polymers on carbon-based electrode materials for electrochemical supercapacitors. Synthetic Metals, 298, 117447. DOI: 10.1016/j.synthmet.2023.117447.
Yang J.W., Kwon H.R., Seo J.H., Ryu S., Jang H.W. (2024) Nanoporous oxide electrodes for energy conversion and storage devices. RSC Applied Interfaces, 1, 11-42. DOI: 10.1039/d3lf00094j.
Bhowmik S., Bhattacharjee U., Ghosh S., Martha S.K. (2023) Evaluating the feasibility of the spinel-based Li4Ti5O12 and LiNi0.5Mn1.5O4 materials towards a battery supercapacitor hybrid device. Journal of Energy Storage, 73(C), 109099. DOI: 10.1016/j.est.2023.109099.
Seenath J.S., Pech D., Rochefort D. (2022) Investigation of protic ionic liquid electrolytes for porous RuO2 micro-supercapacitors. Journal of Power Sources, 548, 232040. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.232040.
Huang B., Liu W., Lan Y., Huang Y., Fu L., Lin B., Xu C. (2024) Highly ion-conducting, robust and environmentally stable poly(vinyl alcohol) eutectic gels designed by natural polyelectrolytes for flexible wearable sensors and supercapacitors. Chemical Engineering Journal, 480, 147888. DOI: 10.1016/j.cej.2023.147888.
Schrade S., Zhao Z., Supiyeva Z., Chen X., Dsoke S., Abbas Q. (2022) An asymmetric MnO2|activated carbon supercapacitor with highly soluble choline nitrate-based aqueous electrolyte for sub-zero temperatures. Electrochimica Acta, 425, 140708. DOI: 10.1016/j.electacta.2022.140708.
Xia G., Liu Z., He J., Huang M., Zhao L., Zou J., Lei Y., Yang Q., Liu Y., Tian D., Shen F. (2024) Modulating three-dimensional porous carbon from paper mulberry juice by a hydrothermal process for a supercapacitor with excellent performance. Renewable Energy, 227, 120478. DOI: 10.1016/j.renene.2024.120478.
Wang X., Chang K.-C., Zhang Z., Liu Q., Li L., Ma S., Zhang M. (2021) Performance enhancement and mechanism exploration of all-carbon-nanotube memory with hydroxylation and dehydration through supercritical carbon dioxide. Carbon, 173, 97–104. DOI: 10.1016/j.carbon.2020.10.084.
