窒素ドープ石炭系活性炭電極材料をベースとした高性能水性スーパーキャパシタ

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J Colloid Interface Sci.2020 Jul;580:77-87. S0021-9797(20)30896-1. doi: 10.1016/j.jcis.2020.07.018.Epub 2020-07-10.

窒素ドープ石炭系活性炭電極材料をベースとした高性能水性スーパーキャパシタ

High performance aqueous supercapacitor based on nitrogen-doped coal-based activated carbon electrode materials.

Duo Dong
Yongsheng Zhang
Yi Xiao
Tao Wang
Jiawei Wang
Carlos E Romero
Wei-Ping Pan

PMID: 32682118 DOI: 10.1016/j.jcis.2020.07.018.

抄録

石炭系活性炭から作製したスーパーキャパシタ(SC)の性能を、比容量(C)、ライフサイクル、レート性能の観点から検討した。本研究では、亜炭からKOH/HO共活性化により、低コストの改質窒素ドープ石炭系活性炭(MAC)を作製した。実験結果と密度汎関数理論(DFT)計算により、石炭系活性炭に窒素原子を導入すると、炭素骨格構造が再配列し、表面化学環境が変化することが示された。その結果、活性炭の内部障害が増加し（I/Iは最大0.99）、構造安定性が向上し（TGA曲線は右にシフト）、炭素表面に様々な窒素官能基（N-5, N-6, N-Q）が形成されることが明らかになった。また、MACは、高い比表面積（S: 2129m/g）、豊富な微細孔（V: 0.62cm/g）、適切なメソ孔（V: 0.39cm/g、V比: 38.6%）、低不純物含量、高Nドーピング（9.59wt%）を有している。これらのMACの特性により、電流密度0.5A/gで323F/gの高Cを実現した。強化されたMACは、アンドープされていないMACよりも64.8%高い。さらに、6M KOH中の250W/kgの電力密度のときに、MACが組み合わされた対称セルで10Wh/kgの高いエネルギー密度を達成することができる。

The performance of a supercapacitor (SCs) fabricated from coal-based activated carbon was studied in terms of its specific capacitance (C), life cycle and rate performance. In this work, a low cost modified nitrogen-doped coal-based activated carbon (MAC) was prepared by KOH/HO co-activation from lignite. Experimental results and density functional theory (DFT) calculations showed that introducing nitrogen atoms into the coal-based activated carbon leads to a rearrangement of the carbon skeleton structure and changes the surface chemical environment. Leading to the MAC internal disorder increases (I/I is up to 0.99), structural stability improves (TGA curves shift right), and various nitrogen functional groups (N-5, N-6, N-Q) are formed on the carbon surface. In addition, the MAC possesses high specific surface area (S: 2129 m/g), abundant micropores (V: 0.62 cm/g), appropriate mesopores (V: 0.39 cm/g, V ratio: 38.6%), low impurity content, and highly N-doping (9.59 wt%). These characteristics of the MAC provide for a high C of 323 F/g at a current density of 0.5 A/g. The enhanced MAC is 64.8% higher than the undoped MAC. Furthermore, a high energy density of 10 Wh/kg can be achieved with a MAC-assembled symmetrical cell when the power density of 250 W/kg in 6 M KOH.