“三明治”型微孔炭片:一种高倍率性能的超级电容器电极材料

超级电容器因其充电速度快、功率密度高及循环寿命好等突出特点,作为辅助动力在新能源汽车、智能分布式电网系统及发电系统建设等领域有着广阔的应用前景。炭基多孔材料由于比表面积高、孔容大、导电性和稳定性优异等特点是超级电容器理想的电极材料。目前,对炭基电极材料的微观形貌及孔道参数的精确调控是研究热点之一。从微观结构来看,传统活性炭结构单元多为微米级,不利于传质,微孔孔隙利用率低,限制其电容值增加;石墨烯材料具有单原子层厚度,电子传导快,且拥有丰富的开放表面或者堆积孔隙,但对于电解液离子的吸附势不足,电荷存储能力有限。因此,如果能够在石墨烯片层表面引入丰富微孔,增强吸附动力学,提高微孔利用率,将有助于提高超级电容器的功率密度和能量密度。

如果能在石墨烯两侧包覆微孔炭层,作为电解液离子“存储仓库”,同时,精确调控微孔炭层的厚度,缩短扩散路径,是否可以构筑一类“1+1>2”的二维纳米片层炭基电极材料?在这一设计思路启发下,来自大连理工大学的研究人员以二维薄层结构的氧化石墨烯为构筑平台,基于主客体化学原理,利用两性分子荷电特点与反应性,经过酚醛胺快速高效的原位缩聚反应及控制炭化过程,制备了石墨烯结构导向的“三明治”型微孔纳米炭片。该系列纳米炭片的微孔炭层厚度可精确调控,微孔孔径集中分布于0.8 nm,比表面积在300-1500 m2 g-1之间可调变。相比于传统微孔炭,该微孔纳米炭片的结构单元尺寸缩短了两个数量级,因此扩散传质动力学大大提高;同时,由于分子水平高度分散的石墨烯网络,样品电导率显著提高(120 S m-1)。基于这些特点,该样品表现出高能量密度与高功率密度。两电极测试中,在5 A g-1倍率下,质量比电容达到103 F g-1,能量密度达到22.4 Wh kg-1。上述研究是关于纳米尺度炭材料结构精确调控及在能源领域应用的重要进展,对于炭基材料的设计制备、理论研究及推广应用具有重要意义。