Adv. Energy Mater.：B, N雙摻雜3D多孔碳納米纖維材料助力鋰離子電容器-同時實現高能量密度、高功率密度

【引言】

隨著便攜式電子設備、電動汽車等的快速發展，人們對高能量密度、高功率密度以及長壽命儲能器件的需求也在日益上升。在目前的儲能體系中，鋰離子電池（LIBs）和超級電容器（SCs）由于其在日常生活中廣泛的應用，受到了越來越高的關注。LiBs雖然能夠較高的能量密度（150~200 Wh/kg），但功率密度較低且循環穩定性較差，使用壽命較為有限。然而，SCs則具備較高的功率密度（2~5 kW/kg）和較長的使用壽命（>1×10⁵ 次循環），但能量密度較低。因此，如何通過將二者的優點結合起來，實現儲能器件的高能量密度、高功率密度以及長壽命，在能量存儲領域依然有待解決。

【成果簡介】

近日，南京理工大學夏暉教授聯合中國科學技術大學余彥教授在Adv. Energy Mater.上發表了一篇題為“High Energy and High Power Lithium-Ion Capacitors Based on Boron and Nitrogen Dual-Doped 3D Carbon Nanofibers as Both Cathode and Anode”的文章。在該項工作中，研究人員以商業細菌纖維素（BC）膜為初始材料，開發了一種簡易可控的硼（B）、氮（N）雙摻雜三維多孔碳納米纖維網絡結構（BNC）合成技術。B, N雙摻雜不僅增大了碳納米纖維的表面積和碳層間距，而且還增加了活性位點數目，改善了碳納米纖維的電極動力學。在作為SCs陰極時，BNC電極具備大比電容和理想的雙層電容性能；在作為LIBs負極時，BNC電極同樣具備較大的比容量和優異的倍率性能，且循環穩定性能良好。在本文中，研究人員首次將BNC成功用于高性能BNC//BNC 鋰離子電容器（LIC），其性能遠遠優于先前報道的其他LICs。測試數據顯示，在功率密度為225 W/kg時，這種對稱“雙碳”LICs具備的220 Wh/kg的高能量密度；在能量密度為104 Wh/kg時，該LICs功率密度可達22500 W/kg。該BNC/BNC LICs優異的能量密度和功率密度表明，采用多孔碳修飾和對稱電池結構有望開發高性能LICs，同時也為高性能LICs的研發提供了一種思路。

【圖文導讀】

圖一 ?BNC的合成工藝及形貌表征

(a) BNC的合成工藝示意圖；

(b) 0.1-BNC的FESEM圖像；

(c-e) 不同B,N摻雜濃度下，BNC樣品的XRD圖譜（c）、拉曼光譜（d）和氮氣等溫吸附/脫附曲線（e）。

圖二? 0.1-BNC樣品的HRTEM、STEM及XPS表征

(a-d) 0.1-BNC樣品的TEM（a, b）、HRTEM（c）、STEM及對應的元素分布圖像（d）；

(e-g) 0.1-BNC樣品的高分辨C 1s（e）、B 1s（f）和N 1s（g） XPS譜。

圖三? BNC正極的電化學測試

(a) 在掃描速率為10 mV/s下，0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC正極的CV曲線；

(b) 不同掃描速率下，0.1-BNC正極的CV曲線；

(c) 不同電流密度下，0.1-BNC正極的充放電曲線；

(d) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC正極的倍率性能圖；

(e) 電流密度為2 A/g時，0.1-BNC正極的循環（5000次）-容量性能圖。

圖四? BNC負極的電化學測試

(a) 不同掃描速率下，0.1-BNC負極的CV曲線；

(b) 掃描速率為0.5 mV/s時，0.1-BNC負極的CV曲線，陰影部分表示表面電容所占比例。

(c) 不同電流密度下，0.1-BNC負極的充放電曲線；

(d) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC負極的倍率性能圖；

(e) 電流密度為2 A/g時，0.1-BNC負極的5000次充發電循環-容量曲線圖；

(f) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC電極的能奎斯特曲線。

圖五? BNC//BNC LIC的電化學性能測試

(a) BNC//BNC LIC的電荷存儲機制示意圖；

(b) 不同掃描速率下，BNC//BNC LIC的CV曲線；

(c) 不同電流密度下，BNC//BNC LIC的充放電曲線；

(d) 電流密度為2 A/g時，BNC//BNC LIC在0.02~4.5 V間的循環性能曲線；

(e) BNC//BNC LIC的Ragone曲線，及與先前報道的LICs的對比，插圖為LIC器件為10顆綠色LED面板供能的照片。

【小結】

本文中，研究人員通過一種簡易可控的合成方法，成功構建了B, N雙摻雜3D多孔探秘納米纖維網絡結構，該BNC在作為LICs無粘合劑電極時，具備優異的電化學性能。通過優化摻雜條件，制得的BNC在作為正負極時，同時表現出了比容量大、倍率性能優異和循環穩定性良好等優點。利用對稱“雙碳”構型，研究人員成功構建了 4.5 V的BNC//BNC LIC。在功率密度為225 W/kg時，該LICs具備220 Wh/kg的高能量密度；在能量密度為104 Wh/kg時，該LICs功率密度可達22500 W/kg；且該LICs具備相對較長的使用壽命，經過5000次循環后電容保持率為81%。這種在3D碳材料中同時摻雜不同原子的理念為高性能電極的設計提供了新思路，有助于提升雜化SC的能量和功率密度。

文獻鏈接：High Energy and High Power Lithium-Ion Capacitors Basedon Boron and Nitrogen Dual-Doped 3D Carbon Nanofibers as Both Cathode and Anode(Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701336)

本文由材料人新能源前線 深海萬里 供稿，材料牛編輯整理。

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