超级电容器领域取得新进展:三维超高导电性的柔性有序介孔碳材料

一维银纳米线/三维石墨烯/有序介孔碳柔性电极材料

轻质量,柔性的高效储能材料在日常生活中扮演了非常重要的角色。超级电容器,因其高功率密度,长循环寿命而被认为是最有应用前景的新型储能材料。有序介孔碳作为超级电容器领域的明星材料,具有理论储能容量高,结构有序和稳定性高的优点,引起了储能研究工作者的广泛关注和研究。然而,由于介孔碳的微结构高缺陷,电子导电率很低,导致潜在的储电能力无法发挥,无法满足在柔性储能器件中的应用。中国科学院上海硅酸盐研究所,北京大学化学学院的黄富强和支键等研究人员合作针对这一问题进行了深入而细致的研究,显著地提升了有序介孔碳材料的导电性,并将其成功应用在柔性超级电容器领域,相关结果发表在Advanced Functional Materials上

该团队首先通过溶剂挥发自组装法(EISA)将有序介孔碳薄膜均匀涂覆在三维石墨烯上,然后再引入高导电性的一维银纳米线,构筑了具有三维纳米导电网络结构的一维银纳米线/三维石墨烯/有序介孔碳复合材料。在该复合结构中,三维石墨烯和银纳米线在提升有序介孔碳性能方面扮演了同等重要但不同的角色。三维石墨烯为材料提供了高导电性与机械强度的柔性骨架,而银纳米线则进一步优化表面的电子传输通道,减小极化和界面内阻。两类材料协同作用,极大提升了有序介孔碳材料的电化学性能,其电导率达到762 Scm-1。组装成柔性器件后,复合电极材料比电容达到213 F g-1,是本征介孔碳材料的5倍。另外,该柔性器件的循环稳定性极佳,在循环10,000次后能保持90%以上的容量。

该方法克服了当前石墨烯应用于有序介孔碳材料无法显著提升电化学性能的瓶颈,器件组装过程中无需高温碳化,解决了石墨烯通常会发生的团聚问题,减少了石墨烯-介孔碳间较高的界面电阻,一维银纳米线又进一步地降低了局部接触电阻,因此有序介孔碳材料的导电性得到了大幅提高。该工作中构筑的三维柔性导电网络结构,可以作为一种的普适方法,有望促进具有优异导电性柔性超级电容器的发展。