活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　通过结合锂离子电池和超级电容器的主要优势，锂离子混合超级电容器已经成为极具吸引力的储能系统。作为锂离子电池和超级电容器中的普通电极材料，石墨烯和活性炭提供具有高化学，热和物理稳定性的可调谐多孔结构，这又与其它电极相比导致优异的电导率和改善的容量。认为在石墨烯和活性炭中的元素氮掺杂被认为进一步提高它们的性能。在这篇综述中，简要总结了混合超级电容器的最新技术，重点是使用石墨烯和活性炭。还强调了随后在LiHSCs中掺杂有石墨烯和活性炭的氮。

　　随混合超级电容器的组成

　　随着技术装备数量的增加和便携式电子产品的发展，全球对智能高效储能系统的需求正在迅速增长。其中，锂离子电池(LIB)和超级电容器确实是在智能储能领域有望应用的绝佳候选人,以前使用的电池型电极材料包括一些碳质材料，金属氧化物和金属氢氧化物等。而在LIHSC中常用的电容器型电极材料由活性炭构成，由于它们可管理的多孔结构和高表面积。还使用其他材料，如碳纳米管和石墨烯。

　　石墨烯和活性炭由于其表面积高，易于锂离子插层，优异的容量保持性，长寿命周期和约束结构构型而被广泛地研究为锂离子混合超级电容器的电极材料。使用基于石墨烯或活性炭和它们的复合材料的电极组装的混合设备已经报道显示出再加上高功率密度的高能量密度。据报道，长期稳定的循环寿命和改进的容量保留。

　　为了改善石墨烯和活性炭基电极的性能，已经使用了形态控制和元素掺杂。制备了0-D石墨烯量子点，1-D石墨烯纳米带(GNR)，2-D石墨烯片，3-D石墨烯和多孔石墨烯。已经引入了石墨烯的3D交联结构以实现改进的性能，其中交联位点是由石墨烯片的π-π堆叠产生的。具有90%可压缩性，超轻重量和高导电性的3D印刷石墨烯气凝胶。这种方法可用于印刷所需的石墨烯网络结构，以平滑混合电容器中电子和锂离子的路径。关于元素掺杂方法，例如石墨烯中的N-，Cr，B掺杂和活性炭已经被报道，具有改善的电化学性能。

　　N掺杂活性炭

　　氮是伪电容元件。氮掺杂被认为是将伪电容性质纳入石墨烯和活性炭的理想方法，用于高性能超级电容器中的应用。氮与碳之间的电负性差异较大，即 3.04 ：2.55，这导致N掺杂石墨烯(NG)片中碳网络的极化。该极化通过影响碳原子的自旋密度和电荷分布而引起“活化区”，其直接催化在NG表面发生的电化学反应。导带和价带之间的带隙由氮掺杂剂打开，氮杂质使费米能级高于狄拉克点。这种带隙使NG成为电子和半导体应用的合适候选者。简言之，作为极化的结果，改变了石墨烯的电子，磁性，光学，电学和电化学性质。

　　活性炭中的氮掺杂导致比电容增加。由于含有官能团的氮的法拉第反应孔的改进的润湿性不仅增加了比电容也增加了掺杂氮的活性炭的导电性。为了掺杂氮气，在活性炭的热处理中最常使用氨(NH 3)。石墨烯和活性炭中的氮掺杂进一步增强了使用NG或氮掺杂活性炭(NAC)及其复合材料组装的电极的电化学活性。基于NG和NAC电极的混合器件无疑具有增加的电化学性能。

　　通过活性炭的N掺杂可以进一步提高活性炭的性能。报道了首次使用氮掺杂活性炭(高达2900m 2 g -1的超高表面积，4重量%的氮)作为LiHSC的阴极材料，其中使用Si / C作为在阴极与阳极质量比为2 : 1 的有机电解质中的负极材料。他们通过一步法制备氮掺杂的活性炭，使用氨作为氮前体，并将预处理的材料作为活性炭的前体并在不同温度下退火。他们在1747-30 127 W kg下实现了230-141 W h kg -1的能量密度-1功率密度。

　　总之，由于锂电池的电化学性能较高，循环寿命长，所以Li-HSC确实是一种有前途的储能系统。与包括LIB，SC，燃料电池等的所有其他储能装置相比较，LIHSC是唯一能够提供高能量密度和高功率密度的储能系统，因此它们具有满足智能储能系统需求的潜力。石墨烯和活性炭具有高的热和物理稳定性，可调谐的多孔结构，高表面积，因此它们在LIHSC中有很大的应用。由于基于氮掺杂石墨烯和活性炭的电极的高能量密度，氮掺杂是非常有意义的。氮掺杂剂组数越多，电极的能量密度就越多。这种高能量密度是由于含氮基团的法拉第反应和孔壁的改善的润湿性。氮掺杂还增加了碳原子的导电性，这又提高了电极的容量。好的是掺杂氮的活性炭电极由于由氮诱导的额外的电荷存储机制，所有其他电极具有更好的性能。然而，掺杂百分比的影响尚未解释。

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