电纺碳纤维取代金属作为超级电容器中的集电器

DOI: 10.1021/acsaem.9b00854

完成完全不含金属的电化学能量装置的最后一步需要用导电碳代替金属集电器。本文介绍了使用由电纺聚（离子液体）衍生的碳纤维作为集电器。纤维通过与少量有机酸的离子交联而稳定，然后在N₂下加热至950°C，以形成导电且独立的碳纤维网。所得碳纤维在水（1 M硫酸钠在水中）和有机（1 M四氟硼酸四乙铵在乙腈中）电解质中的EDLCs中用作集电器。在这两种情况下，碳纤维的性能都优于既定的碳涂层铝箔，并表现出与铂相当的性能。它们在高达40 A g^-1的电流密度下工作，而没有明显的电阻率迹象。研究者发现，纺丝产生的纳米结构以及PIL作为碳前体的使用对于获得这种性能都是至关重要的。这些碳纤维仅占铝集电器重量的2％至10％，因此增加了整个电池的重量能量密度。PIL的衍生碳纤维可能会成为未来双电层电容器应用中一种有前途的廉价且不含金属的替代品。

图1.生产PIL衍生的碳集电器的工艺方案。合成PIL，然后在包含有机酸作为交联剂的溶液中进行电纺丝。将所得的无光泽纤维浸入氨溶液中进行交联并干燥。纤维在950°C的N₂下碳化，并在EDLC中代替金属用作集电器。

图2.用OA（a-h）和BPC（i-l）作为交联剂，没有（a-d）和有（e-l）交联的纺丝纤维的SEM显微照片。图片（a，e，i）处于室温下，原始状态（a）或交联后（e，i）。随后在N₂下将纤维加热到200°C（b，f，j），400°C（c，g，k）和600°C（d，h，l）的温度。

图3.在不同步骤中收集的床单的数码照片：原始的（a），交联的（b）和在950°C碳化的（c）。 （c）中的插图是碳化板的SEM显微照片。纤维用BPC作为交联剂纺丝。

图4.扫描速度为5（a）和500 mV s^-1（b）时的循环伏安图，电流密度为0.2和10 A g^-1（c）时的充放电曲线，以及不同电流密度下的比电容（ d）以科琴黑碳为电极和1 M Na₂SO₄水溶液的对称超级电容器。目前使用的是碳化PIL纤维（cPF），铂箔（Pt-f），碳包铝箔（C @ Al），碳化PAN纤维（PAN-NF）和薄膜形式的PIL（PIL膜）作为集电器。

图5.扫描速率为2和500 mV s^-1时的循环伏安图（a），电流密度为0.2和20 A g^-1时的充放电曲线（b）以及在1 M下工作的EDLCs的阻抗谱（c） Na₂SO₄水性电解质和自制的HSTC电极。碳化的PIL纤维（cPF）和铂箔（Pt-f）被用作集电器。

图6.使用1 M TEABF₄ / ACN有机电解质和科琴黑色电极操作的EDLC在不同扫描速率下的循环伏安图（a），电压浮动稳定性测试（b），在不同的特定电流下选择的充放电曲线和比电容（c）和阻抗谱（d）。碳化的PIL纤维（cPF）被用作集电器。