電紡碳纖維取代金屬作為超級電容器中的集電器

DOI: 10.1021/acsaem.9b00854

完成完全不含金屬的電化學能量裝置的最后一步需要用導電碳代替金屬集電器。本文介紹了使用由電紡聚（離子液體）衍生的碳纖維作為集電器。纖維通過與少量有機酸的離子交聯而穩定，然后在N₂下加熱至950°C，以形成導電且獨立的碳纖維網。所得碳纖維在水（1 M硫酸鈉在水中）和有機（1 M四氟硼酸四乙銨在乙腈中）電解質中的EDLCs中用作集電器。在這兩種情況下，碳纖維的性能都優于既定的碳涂層鋁箔，并表現出與鉑相當的性能。它們在高達40 A g^-1的電流密度下工作，而沒有明顯的電阻率跡象。研究者發現，紡絲產生的納米結構以及PIL作為碳前體的使用對于獲得這種性能都是至關重要的。這些碳纖維僅占鋁集電器重量的2％至10％，因此增加了整個電池的重量能量密度。PIL的衍生碳纖維可能會成為未來雙電層電容器應用中一種有前途的廉價且不含金屬的替代品。

圖1.生產PIL衍生的碳集電器的工藝方案。合成PIL，然后在包含有機酸作為交聯劑的溶液中進行電紡絲。將所得的無光澤纖維浸入氨溶液中進行交聯并干燥。纖維在950°C的N₂下碳化，并在EDLC中代替金屬用作集電器。

圖2.用OA（a-h）和BPC（i-l）作為交聯劑，沒有（a-d）和有（e-l）交聯的紡絲纖維的SEM顯微照片。圖片（a，e，i）處于室溫下，原始狀態（a）或交聯后（e，i）。隨后在N₂下將纖維加熱到200°C（b，f，j），400°C（c，g，k）和600°C（d，h，l）的溫度。

圖3.在不同步驟中收集的床單的數碼照片：原始的（a），交聯的（b）和在950°C碳化的（c）。 （c）中的插圖是碳化板的SEM顯微照片。纖維用BPC作為交聯劑紡絲。

圖4.掃描速度為5（a）和500 mV s^-1（b）時的循環伏安圖，電流密度為0.2和10 A g^-1（c）時的充放電曲線，以及不同電流密度下的比電容（ d）以科琴黑碳為電極和1 M Na₂SO₄水溶液的對稱超級電容器。目前使用的是碳化PIL纖維（cPF），鉑箔（Pt-f），碳包鋁箔（C @ Al），碳化PAN纖維（PAN-NF）和薄膜形式的PIL（PIL膜）作為集電器。

圖5.掃描速率為2和500 mV s^-1時的循環伏安圖（a），電流密度為0.2和20 A g^-1時的充放電曲線（b）以及在1 M下工作的EDLCs的阻抗譜（c） Na₂SO₄水性電解質和自制的HSTC電極。碳化的PIL纖維（cPF）和鉑箔（Pt-f）被用作集電器。

圖6.使用1 M TEABF₄ / ACN有機電解質和科琴黑色電極操作的EDLC在不同掃描速率下的循環伏安圖（a），電壓浮動穩定性測試（b），在不同的特定電流下選擇的充放電曲線和比電容（c）和阻抗譜（d）。碳化的PIL纖維（cPF）被用作集電器。