山科大，清華＆賓州州立Small封面：超輕柔性氮摻雜泡沫碳電極材料用于高性能超級電容器

第一作者：付民

通訊作者：呂瑞濤*，雷鈺*, Mauricio Terrones*

單位：山東科技大學, 清華大學, 美國賓夕法尼亞州立大學

【背景介紹】

超級電容器由于具有優異的功率密度和較長的使用壽命，因此被認為是非常有潛力的儲能器件。傳統的剛性超級電容器在很多柔性可穿戴領域的應用受到極大的限制。因此輕質、柔性、高性能的電極材料具有廣闊的發展前景。

【成果簡介】

近日，來自山東科技大學的付民，清華大學的呂瑞濤與美國賓夕法尼亞州立大學的雷鈺、Mauricio Terrones合作，以三聚氰胺海綿為原料，經過簡單的熱處理制備了具有三維開放大孔結構的氮摻雜碳管泡沫電極。三聚氰胺中的高含氮量實現了碳骨架的氮原子摻雜，賦予了電極材料更好的電化學活性。通過簡單的離子吸附、氣相擴散-沉積和熱處理合成了鐵酸鎳/氮摻雜碳管泡沫復合電極材料。三維開放的大孔結構為鐵酸鎳的均勻負載提供了理想的平臺。鐵酸鎳/氮摻雜碳管泡沫復合電極材料的表觀密度只有0.0055?g cm^?3，顯示出輕質的特性。得益于碳骨架的開放大孔結構和鐵酸鎳與氮摻雜碳管泡沫之間的協同作用，所合成的復合電極材料表現出優異的電容性能（1 A?g^-1時比電容達到715.4 F?g^-1，10 A?g^-1時比電容為508.3 F?g^-1?；1 A?g^-1下經過5萬次循環后比電容保持率達到90.9%）。另外，將所得材料直接用于柔性超級電容器的組裝，無需導電添加劑和粘結劑。在0.5 mA cm^-2的電流密度下，面積比電容達到1397.4?mF?cm^-2，8?mA cm^-2的電流密度下，面積比電容為1041.2?mF?cm^-2。在1?mA cm^-2的電流密度和彎曲狀態下，經過1萬次循環后比電容保持率達到92.9%。 該電極材料集柔性、輕質和優異的電化學特性于一體，顯示出潛在的應用前景。

研究成果以題為“Ultralight Flexible Electrodes of Nitrogen-Doped Carbon Macrotube Sponges for High-Performance Supercapacitors”發表在國際知名期刊Small上，并被選為2021年第一期的Front cover。

【圖文導讀】

圖1 復合電極材料的合成示意圖。

圖2?NiFe2O4/N-CMT的結構表征。

（a, b）三聚氰胺的SEM

（c-f）NiFe2O4/N-CMT的SEM

（g-l）NiFe2O4/N-CMT的EDS

（m）NiFe2O4/N-CMT的XRD

（n）NiFe2O4/N-CMT的氮氣吸附脫附曲線

圖3 柔性儲能器件的電化學性能。

（a）柔性器件示意圖

（b）柔性器件及其點亮LED燈泡的數碼照片

（c）柔性器件在不同彎曲狀態下的CV

（d）柔性器件的GCD

（e）柔性器件的循環性能

【小結】

綜上所述，作者以三聚氰胺泡沫為原料，制備了三維氮摻雜碳管泡沫電極材料，并通過簡單的離子吸附、氣相擴散-沉積和熱處理合成了鐵酸鎳/氮摻雜碳管泡沫復合電極材料。所得的電極材料可直接用于柔性超級電容器的組裝，取得了很好的儲能效果。

【文章鏈接】

Ultralight Flexible Electrodes of Nitrogen-Doped Carbon Macrotube Sponges for High-Performance Supercapacitors

DOI: 10.1002/smll.202004827

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