碳泡沫基三维自支撑电极及其高比能超级电容器

Untitled超级电容器因其功率密度大、充放电速度快、环境友好和循环寿命长等特点,成为最受关注的新型储能器件之一。与二次电池相比,超级电容器的能量密度较低,严重限制了超级电容器的实际应用。过渡双金属硫化物(NiCo2S4)作为一种新颖的赝电容材料,具有比金属氧化物更高的电子导电性、比单金属硫化物更高的电化学活性和更大的理论比容量。采用纳米材料可以改善赝电容的电化学性能,但是粉末状的纳米材料容易堆积或团聚,导致有效比表面降低。此外,导电剂和粘结剂的添加不仅使电极的制备过程繁琐,更会降低材料在实际应用中的性能。通过对电极结构的设计,可以进一步提高活性材料的利用率和电极反应的动力学速率,最大限度的改善材料的电化学性能。

南京航空航天大学材料科学与技术学院、江苏省能量转换材料与技术重点实验室张校刚课题组直接在富氮碳泡沫上生长电活性材料,制备了三维自支撑电极和构建了水系非对称超级电容器。该课题组采用直接碳化商业化三聚氰胺泡沫,宏量制备了由碳纤维交织而成三维网络结构的富氮碳泡沫(NCF),其具有质量极轻(5 mg cm−3)、导电性高、富有弹性和柔韧性等优点。进而采用水热法在碳泡沫基底上直接生长Ni-Co前驱体,然后硫化转化为NiCo2S4纳米片。NiCo2S4纳米片在三维碳纤维骨架上的均匀生长,克服了纳米材料的团聚或堆叠的缺点,使电极材料与电解液充分接触,减小了离子扩散距离和扩散阻力;同时富氮碳纤维提供了三维导电网络结构,使电子在整个电极内得以快速传输。NiCo2S4/NCF用作超级电容器的自支撑电极,表现出超高的比电容和循环稳定性,在2 A g−1时比电容达到了1231 F g−1。另外,该课题组在三聚氰胺泡沫上包覆酚醛树脂/嵌段共聚物,经过热聚合、一步碳化,制备了有序介孔碳/富氮碳泡沫(OMC/NCF)复合材料。以NiCo2S4/NCF为正极、OMC/NCF为负极构建了水系非对称超级电容器,其在512 W kg−1功率密度下,能量密度达到了45.5 Wh kg−1。由于采用三维掺氮碳泡沫作为新型集流体,器件在柔韧性、轻便性、比电容和功率特性等方面都有很大的提高。相关研究结果发表在最近的Advanced Energy Materials上。

该项工作所设计制备的富氮碳泡沫基三维柔性自支撑电极,不仅可有效克服常规压片电极制备工艺缺陷,而且极大的改善了超级电容器器件的柔韧性、轻便性、比电容和功率特性,为构建高性能超级电容器提供了一个全新的思路。

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