Adv. Mater. 南京大學胡征：超高功率超級電容中的石墨烯狀碳材料

【引言】

雙電層電容器（也叫超級電容）與電池相比具有高能量密度、穩定的循環性能，因而成為儲能領域中一直關注的器件。理論上雙電層電容應該滿足以下幾點要求：1.高的比表面積來提供電荷的儲存空間，2.合理的孔及孔徑分布來平衡比容量與倍率性能之間的要求，3.高電導率來確保大倍率充放電性能和高功率密度，4.良好的潤濕性以促進離子擴散，增加離子可接觸表面積。在碳材料中，sp²雜化的碳材料因為具有優良的導電能力、豐富的結構及形貌和易于通過摻雜修改的電子結構和表面性能，而成為雙電層電容中廣泛使用的材料。sp²雜化碳材料中以石墨材料的應用最為普遍，但是石墨烯片存在不可避免的π-π鍵團聚現象，大大限制了電解質的運輸過程和離子可接觸表面積。因此，制備穩定的三維石墨烯來避免這種團聚現象是挖掘石墨烯超級電容潛力的有效方法。

【成果簡介】

近日，南京大學的胡征教授（通訊作者）課題組在Advanced Materials上發表了題為“Porous 3D Few-Layer Graphene-like Carbon for?Ultrahigh-Power Supercapacitors with Well-Defined?Structure–Performance Relationship”的文章，文中介紹了一種使用原位Cu模板方法制備的三維碳納米籠結構的材料，與之前報道過的利用金屬氧化物模板法相似，但在金屬模板上直接制備三維碳納米籠具有更好的導電性，并且所得到的是一種具有少量碳層的石墨烯材料。其具有互聯的微孔、中孔和大孔，比表面積在1500m²/g以上，電導率高于800S/m，同時在電解液中還具有良好的潤濕性。將該材料應用在超級電容中，1000℃下超級電容在水系電解液和離子電解液體系下分別具有1066.2kW/kg和740.8kW/kg的超高功率密度，以及頂級的能量密度、倍率性能和循環穩定性，獨特的結構設計使得該材料具有了優秀的電化學性能。

【圖文導讀】

圖1. 3DG1000的形態和結構表征

（a-f）（a-c）殼層結構 和 （d-f）核結構 的不同放大倍率下的SEM圖像

（g，h）TEM圖像，圖h中的插圖是相應的高分辨TEM圖

（i）氮吸附等溫曲線，插圖是相應的孔徑分布圖

圖2. 3DG1000和a-3DG1000動態接觸角的測量

（a）與水的接觸角測量

（b）與EMIMBF₄的接觸角測量

圖3.?3DG800, 3DG900, 和 3DG1000在6mol/L的KOH中的超級電容性能

（a）3DG1000-SC在不同掃速下的CV曲線

（b）比電容與掃速關系曲線

（c）電流密度為1和100A/g下的GCD曲線

（d）比電容與電流密度關系曲線

（e）3DG1000-SC在電流密度為100A/g下的循環穩定性和庫倫效率

（f）超級電容器的平均功率密度與能量密度關系的拉貢圖

圖4.超級電容器在6mol/L的KOH中的結構-性能關系圖

（a，b）內阻壓降的R_ser與各自最大功率密度與電流密度的關系曲線

（c，d）Nyquist圖和相應的Bode圖，圖c中的插圖是高頻部分的放大圖

圖5.?3DG1000在EMIMBF₄中的超級電容性能

（a）CV曲線

（b）GCD曲線

（c）Nyquist曲線，插圖是相應的Bode圖中相位角與頻率的關系

（d）不同電流密度下的比電容

（e）3DG1000-SC與傳統超級電容器、商業電容和鋰離子電池拉貢圖的比較

（f）電流密度為100A/g下的循環穩定性與庫倫效率

【總結】

與之前報道過的以MgO為模板進行石墨烯材料制備相比，該文章報道的以Cu為模板制備的層數較少的石墨烯材料不僅具有良好的導電性能，還具有良好的浸潤性。所組裝的超級電容器在水溶液和離子溶液中最大功率密度可分別達到1066.2kW/kg和740.8kW/kg，與傳統的電容器和電池相比具有重要的應用前景。該工作首次研究了電流密度對等效串聯電阻變化行為的影響，為深入研究材料的結構特征提供了依據，并對其性能進行了深入分析。經典的電化學阻抗譜可以很好的支持從這個新角度所分析到的電極結構設計思路，結合這兩種互補的方法可以擴展和深化對超級電容器電極材料中結構性能的關系，此外還能應用于許多電化學儲能系統，例如，鋰離子電池，鋰硫電池，金屬空氣電池等。總之，這項工作具有非常重要的意義。

文獻鏈接：Porous 3D Few-Layer Graphene-like Carbon for?Ultrahigh-Power Supercapacitors with Well-Defined Structure–Performance Relationship ?（Adv. Mater. ，2017，DOI: 10.1002/adma.201604569）

本文由材料人編輯部新能源學術組 charles 供稿，材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

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