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  超級電容器具有高功率密度和長循環(huán)壽命等優(yōu)點，但較低的能量密度制約了其大規(guī)模應用，而構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)電極材料和構(gòu)筑新型電容器是有效的解決途徑。中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛課題組通過精準設計納米結(jié)構(gòu)電極材料、以及組裝非對稱電容器和柔性全固態(tài)電容器實現(xiàn)了其能量密度地顯著提升，并取得了一系列進展。

  研究人員以聚苯乙烯鏈段作為自模版劑，聚丙烯腈鏈段作為富氮碳源，經(jīng)炭化和活化，形成多級孔結(jié)構(gòu)的炭材料，在水系對稱器件中展現(xiàn)出高倍率和循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為構(gòu)筑兼具層次孔結(jié)構(gòu)和豐富表面化學的高性能炭電極材料提供了新思路。相關(guān)工作已發(fā)表在Energy Storage Materials, 2016, 3, 140-148.

圖1 嵌段共聚物基層次孔富氮炭SEM圖片以及循環(huán)性能

  進一步利用生物質(zhì)柳絮天然通道作模板，通過調(diào)控碳化和活化條件，制成了管狀、多孔、大比表面積炭材料。以此多孔炭電極構(gòu)建的有機系超級電容器顯示出高比容量與長壽命的特點。研究成果以封面的形式發(fā)表在J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 1637-1646。

圖2 柳絮基多孔炭材料示意圖

  針對目前由于水分移除產(chǎn)生的毛細管作用力會引起孔收縮甚至坍塌，導致碳氣凝膠的比表面積較低的問題，研究人員將氧化石墨烯添加到酚醛樹脂中，利用氧化石墨烯作為模板劑和增強劑的特性來調(diào)控碳氣凝膠的孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)一步碳化法獲得了超高比表面積（2728 m2?g-1）的碳氣凝膠。所得的碳氣凝膠有望用作超級電容器電極材料以及Li電池和Na電池的負極材料。相關(guān)工作以快訊（Communication）形式發(fā)表在Microporous and Mesoporous Materials, 2016 , 240 :145-148。

圖3 （a）溶膠凝膠階段，冷凍干燥階段，高溫碳化階段的實物圖；（b）溶膠凝膠階段，冷凍干燥階段，高溫碳化階段的機理圖及電鏡圖

  為進一步拓展水系超級電容器的工作電壓，課題組與700組研究人員將帶有相反電荷的鈷鎳雙金屬氫氧化物和氧化石墨烯納米片通過靜電作用，進行可控的層層組裝，并經(jīng)后續(xù)熱處理，制得具有層狀結(jié)構(gòu)的NiCo2O4/石墨烯復合材料，并構(gòu)建了穩(wěn)定工作電壓達1.5V的NiCo2O4/石墨烯復合材料//活性炭非對稱超級電容器體系。其展示了優(yōu)異的循環(huán)性能以及高的能量密度。相關(guān)文章發(fā)表在Energy Storage Materials (DOI: 10.1002/advs.201600408)。

圖4 NiCo2O4/石墨烯復合材料制備示意圖；NiCo2O4/石墨烯復合材料循環(huán)穩(wěn)定性；NiCo2O4/石墨烯復合材料//活性炭非對稱電容器的功率密度和能量密度圖

  針對純石墨烯膜普遍存在緊密疊層、團聚與易碎的問題，課題組與700組研究人員通過在石墨烯層間引入帶正電荷的Fe(OH)3膠體，抽濾成膜后經(jīng)水熱還原獲得了石墨烯/Fe2O3復合薄膜，并構(gòu)建了全固態(tài)超級電容器。由于該薄膜固有的柔性特征，組裝的全固態(tài)電容器在彎曲180度條件下，容量幾乎無衰減，說明其在柔性儲能領(lǐng)域有潛在應用前景。相關(guān)工作發(fā)表在ChemElectoChem (DOI:10.1002/celc.201700253)。

圖5 石墨烯/Fe2O3復合薄膜制備示意圖

  這些工作得到了國家自然科學基金、山西省自然科學基金和山西省煤基重點科技攻關(guān)項目的大力支持。