Nano Select: 碳材料在超级电容器中的高效利用

超级电容器又称为电化学电容器,依靠电极/电解液界面处的快速离子吸脱附或可逆电化学反应进行能量的存储,从而在启停电源、起重设备、风力发电、刹车能回收等大功率电源中得到了广泛应用。随着科技的快速发展,未来超级电容器将会向着更高能量密度、更快充放电速率、小型化和轻量化的方向发展,因此对电极材料的性能提出了更高的要求。近年来,国内外学者在碳电极材料的研究方面取得了较大进展,特别是碳纳米管和石墨烯的发现对电极设计提供更大的设计空间。理想的碳电极材料应具有(1)快速电子和离子传输通道,确保储能器件具有高的功率密度;(2)高效的碳表面和空间利用率,确保材料同时具有高质量/体积比容量。因此,如何通过材料的结构设计来实现碳材料表面/空间的高效利用,进而大幅提升其在超级电容器等储能领域的电化学性能显得意义重大。

最近,中国石油大学(华东)范壮军课题组受邀在国际纳米科学领域新刊Nano Select上发表了题为“High-efficiency utilization of carbon materials for supercapacitors”的综述文章(DOI:10.1002/nano.202000011),总结了近年来碳材料在超级电容器应用领域中的研究进展。碳材料具有良好的导电性、较大的比表面积、可设计的表面状态和孔道结构、优异的化学稳定性、成本较低等优点,是超级电容器重要的电极材料。然而,其在实际应用过程中仍面临很大挑战:(1)大比表面积、丰富孔道结构与良好导电性之间的矛盾性;(2)质量与体积比容量之间的竞争性;(3)碳表面和空间储能单元的利用率低等。针对此,作者从孔道结构、导电网络、表面工程等角度综述了碳储能材料的表面/空间高效利用的策略。为确保碳电极的高功率性能,通过整体均匀活化、模板法、纳米碳组装等策略在材料内部构筑贯通孔道结构,显著提高离子迁移能力。通过在碳材料内部构筑微导电网络和连续碳骨架构筑导电网络,进而提高电极的整体导电性。在此基础上,通过超微孔设计和纳米碳致密化等策略减少无效孔体积,进而提高电极材料的密度和体积比容量。此外,在确保碳电极具有高功率和高循环稳定特性前提下,作者还系统论述了通过在碳表面的杂原子掺杂、有机/无机小分子、超薄聚合物、无机量子点等修饰进一步提高碳能量存贮能力。最后,作者对碳材料在高效储能应用中的未来发展提出了一些可供参考的设计思路。相信随着对碳材料结构的精确设计及其储能机制的进一步认知,碳基超级电容器将具有更广泛的应用。