劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

多孔三維寡層類石墨烯：超高功率超級(jí)電容器碳材料

劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京100871)

雙電層超級(jí)電容器(EDLC)通過表面靜電吸附存儲(chǔ)電荷，具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，得到科技界的廣泛重視。理想的EDLC電極材料應(yīng)同時(shí)具備：(i)高的比表面積以確保足夠的電荷存儲(chǔ)空間；(ii)均衡分布的孔結(jié)構(gòu)以利于電解液離子的快速輸運(yùn)，提升比電容和倍率性能；(iii)高的導(dǎo)電性以確保高功率；(iv)優(yōu)異的浸潤(rùn)性以促進(jìn)離子擴(kuò)散，增加有效表面積。sp2雜化的碳材料具有導(dǎo)電性好、形態(tài)結(jié)構(gòu)豐富、電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)易于調(diào)控等特點(diǎn)，成為開發(fā)先進(jìn)EDLC電極材料的重要源泉1。其中，石墨烯是一種很有前途的電極材料2?4，導(dǎo)電性好，理論面積比電容可達(dá)21μF·cm?2。但通常石墨烯片層間的π?π堆垛會(huì)顯著降低其比表面積，影響電解液傳輸?shù)膬?nèi)部孔道，難以充分發(fā)揮其潛力，一般需要采取比較復(fù)雜的工藝技術(shù)以克服這些不足4,5。

近年來南京大學(xué)胡征教授課題組發(fā)展了一種原位氧化鎂模板法制備碳基納米籠的新方法，所得納米籠呈新穎的分級(jí)結(jié)構(gòu)，具有比表面積大、微孔-介孔-大孔共存、導(dǎo)電性優(yōu)良、浸潤(rùn)性可調(diào)等特點(diǎn)，表現(xiàn)出優(yōu)異的EDLC性能6,7。最近，鑒于金屬基底上沉積的碳材料的電導(dǎo)率通常優(yōu)于氧化物基底上沉積的碳材料這一現(xiàn)象，他們將原位氧化鎂模板法拓展為原位多孔納米銅模板法，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為固態(tài)碳源，得到了一種新型的多孔三維寡層類石墨烯材料(3DG)，具有微孔-介孔-大孔相互連通的開放性孔結(jié)構(gòu)，比表面積大(＞1500 m2·g?1)，導(dǎo)電性高(＞800 S·m?1)，在水系和離子液體中均有良好浸潤(rùn)性8。這種3DG材料在水系和離子液體電解液EDLC中的功率密度分別高達(dá)1066.2和740.8 kW·kg?1，其能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性均處于EDLC的先進(jìn)水平，展示出在超高功率和高能量密度存儲(chǔ)領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。更令人感興趣的是，他們通過系統(tǒng)考察EDLC的等效串聯(lián)電阻(即計(jì)時(shí)電位曲線的IR壓降)隨電流密度的變化規(guī)律，從一個(gè)新的視角深入理解了EDLC材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，與經(jīng)典電化學(xué)交流阻抗譜的研究結(jié)果相互印證，互為補(bǔ)充，這為深入理解電化學(xué)能量存儲(chǔ)材料的構(gòu)效關(guān)系提供了新的思路。相關(guān)論文最近發(fā)表于Advanced Materials雜志上8。

(1)Zhang,L.L.;Zhao,X.S.Chem.Soc.Rev.2009,28,2520.doi: 10.1039/b813846j

(2)Zhu,Y.;Murali,S.;Stoller,M.D.;Ganesh,K.J.;Cai,W.; Ferreira,P.J.;Pirkle,A.;Wallace,R.M.;Cychosz,K.A.; Thommes,M.;Su,D.;Stach,E.A.;Ruoff,R.S.Science 2011, 332,1537.doi:10.1126/science.1200770

(3)Wu,Z.S.;Parvez,K.;Feng,X.L.;Mullen,K.Nat.Commun. 2013,4,2487.doi:10.1038/ncomms3487

(4)Yang,X.;Cheng,C.;Wang,Y.;Qiu,L.;Li,D.Science 2013,341, 534.doi:10.1126/science.1239089

(5)Li,Y.;Li,Z.;Shen,P.K.Adv.Mater.2013,25,2474.doi: 10.1002/adma.201205332

(6)Xie,K.;Qin,X.T.;Wang,X.Z.;Wang,Y.N.;Tao,H.S.;Wu,Q.; Yang,L.J.;Hu,Z.Adv.Mater.2012,24,347.doi:10.1002/ adma.201103872

(7)Zhao,J.;Lai,H.W.;Lyu,Z.Y.;Jiang,Y.F.;Xie,K.;Wang,X. Z.;Wu,Q.;Yang,L.J.;Jin,Z.;Ma,Y.W.;Liu,J.;Hu,Z.Adv. Mater.2015,27,3541.doi:10.1002/adma.201500945

(8)Zhao,J.;Jiang,Y.F.;Fan,H.;Liu,M.;Zhuo,O.;Wang,X.Z.; Wu,Q.;Yang,L.J.;Ma,Y.W.;Hu,Z.Adv.Mater.2017,29, 1604569.doi:10.1002/adma.201604569

Porous 3D Few-Layer Graphene-Like Carbon for Ultrahigh-Power Supercapacitors

LIU Zhong-Fan
(College of Chemistry and Molecular Engineering,Peking University,Beijing 100871,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703203