Energy Technology:石墨化多孔碳纤维在超级电容器中的超快储能应用

随着人们对电能储存和转换需求的逐渐增大,高能量密度和功率密度的储能器件受到越来越多的关注。近年来,超级电容器因具有高功率密度、快速充电/放电速率和长循环寿命等优势而受到广泛关注。但目前超级电容器的容量相对较低,在一定程度上限制了其广泛应用。电极材料是决定超级电容器性能优劣的关键因素。电极材料的高比表面积可积聚电解质离子,丰富的孔径结构可以促进离子扩散,高电导率可以促进电子的快速转移。因此,开发具有超快储能特性的电极材料成为超级电容器研究的热点。碳材料是双电层电容器中应用最广泛的电极材料。为了提高碳材料的比表面积,通常需要对其进行活化处理。然而,活化过程使碳网格严重非晶化,从而降低了其导电性,使得电容器倍率性能不佳,进而限制了其超快储能应用。

针对这一问题,山东理工大学物理与光电工程学院周通博士与秦华教授合作,结合静电纺丝技术、原位催化法和化学活化法,成功的制备了含有石墨碳骨架的高比表面积多孔碳纤维,其在超级电容器中表现出优异的超快储能特性。相关成果发表在Energy Technology(DOI: 10.1002/ente.202000050)上。

本项研究通过将PAN和FeCl3溶解在有机溶剂DMF中,经过静电纺丝得到PAN/FeCl3前驱体纤维,再经过预氧化、碳化和酸洗过程,得到了含有石墨碳骨架的高比表面积多孔碳纤维。经过一系列表征分析,验证了石墨碳在单相Fe颗粒外的包覆,进而证明了Fe在石墨化过程中的催化作用。受益于石墨碳和无定型多孔碳的共同存在,石墨化多孔碳纤维具有大的比表面积和高的导电性,其作为超级电容器电极材料表现出优异的电化学存储性能。测试结果表明,该材料在10 A g-1的电流密度下容量高达268 F g-1,当电流密度提高到300 A/g,容量仍能保持165 F g-1,经过200 h的老化测试后,碳纤维仍能保持87.8%的最初容量,此外,在中性电解液中,碳纤维在功率密度为5.4 KW kg-1时的能量密度仍有9.3 Wh kg-1。本探索工作为实现在高电流密度下快速充电和放电的超级电容器研究提供具有重要的参考。