Adv. Mater. 南京大学胡征：超高功率超级电容中的石墨烯状碳材料

【引言】

双电层电容器（也叫超级电容）与电池相比具有高能量密度、稳定的循环性能，因而成为储能领域中一直关注的器件。理论上双电层电容应该满足以下几点要求：1.高的比表面积来提供电荷的储存空间，2.合理的孔及孔径分布来平衡比容量与倍率性能之间的要求，3.高电导率来确保大倍率充放电性能和高功率密度，4.良好的润湿性以促进离子扩散，增加离子可接触表面积。在碳材料中，sp²杂化的碳材料因为具有优良的导电能力、丰富的结构及形貌和易于通过掺杂修改的电子结构和表面性能，而成为双电层电容中广泛使用的材料。sp²杂化碳材料中以石墨材料的应用最为普遍，但是石墨烯片存在不可避免的π-π键团聚现象，大大限制了电解质的运输过程和离子可接触表面积。因此，制备稳定的三维石墨烯来避免这种团聚现象是挖掘石墨烯超级电容潜力的有效方法。

【成果简介】

近日，南京大学的胡征教授（通讯作者）课题组在Advanced Materials上发表了题为“Porous 3D Few-Layer Graphene-like Carbon for Ultrahigh-Power Supercapacitors with Well-Defined Structure–Performance Relationship”的文章，文中介绍了一种使用原位Cu模板方法制备的三维碳纳米笼结构的材料，与之前报道过的利用金属氧化物模板法相似，但在金属模板上直接制备三维碳纳米笼具有更好的导电性，并且所得到的是一种具有少量碳层的石墨烯材料。其具有互联的微孔、中孔和大孔，比表面积在1500m²/g以上，电导率高于800S/m，同时在电解液中还具有良好的润湿性。将该材料应用在超级电容中，1000℃下超级电容在水系电解液和离子电解液体系下分别具有1066.2kW/kg和740.8kW/kg的超高功率密度，以及顶级的能量密度、倍率性能和循环稳定性，独特的结构设计使得该材料具有了优秀的电化学性能。

【图文导读】

图1. 3DG1000的形态和结构表征

（a-f）（a-c）壳层结构 和 （d-f）核结构 的不同放大倍率下的SEM图像

（g，h）TEM图像，图h中的插图是相应的高分辨TEM图

（i）氮吸附等温曲线，插图是相应的孔径分布图

图2. 3DG1000和a-3DG1000动态接触角的测量

（a）与水的接触角测量

（b）与EMIMBF₄的接触角测量

图3. 3DG800, 3DG900, 和 3DG1000在6mol/L的KOH中的超级电容性能

（a）3DG1000-SC在不同扫速下的CV曲线

（b）比电容与扫速关系曲线

（c）电流密度为1和100A/g下的GCD曲线

（d）比电容与电流密度关系曲线

（e）3DG1000-SC在电流密度为100A/g下的循环稳定性和库伦效率

（f）超级电容器的平均功率密度与能量密度关系的拉贡图

图4.超级电容器在6mol/L的KOH中的结构-性能关系图

（a，b）内阻压降的R_ser与各自最大功率密度与电流密度的关系曲线

（c，d）Nyquist图和相应的Bode图，图c中的插图是高频部分的放大图

图5. 3DG1000在EMIMBF₄中的超级电容性能

（a）CV曲线

（b）GCD曲线

（c）Nyquist曲线，插图是相应的Bode图中相位角与频率的关系

（d）不同电流密度下的比电容

（e）3DG1000-SC与传统超级电容器、商业电容和锂离子电池拉贡图的比较

（f）电流密度为100A/g下的循环稳定性与库伦效率

【总结】

与之前报道过的以MgO为模板进行石墨烯材料制备相比，该文章报道的以Cu为模板制备的层数较少的石墨烯材料不仅具有良好的导电性能，还具有良好的浸润性。所组装的超级电容器在水溶液和离子溶液中最大功率密度可分别达到1066.2kW/kg和740.8kW/kg，与传统的电容器和电池相比具有重要的应用前景。该工作首次研究了电流密度对等效串联电阻变化行为的影响，为深入研究材料的结构特征提供了依据，并对其性能进行了深入分析。经典的电化学阻抗谱可以很好的支持从这个新角度所分析到的电极结构设计思路，结合这两种互补的方法可以扩展和深化对超级电容器电极材料中结构性能的关系，此外还能应用于许多电化学储能系统，例如，锂离子电池，锂硫电池，金属空气电池等。总之，这项工作具有非常重要的意义。

文献链接：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）

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