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碳筛:高面能量密度微型超级电容器用新材料-Chemical Engineering Journal
发布者: 陈元振 | 2024-04-11 | 6890

 

【研究背景】

微型超级电容器(MSCs)是便携或可穿戴设备必要的微型储能器件,具有高的功率密度,但是低能量密度限制了MSCs的应用。碳材料具有优异的导电性以及化学和热稳定性,是一种重要的电极材料。然而对于常用的活性炭或者石墨烯、碳纳米管等纳米材料,较低的离子可达的比表面积和较长的电子扩散路径导致MSCs的能量密度较低。因此,亟待开发一种具有较高有效比表面积、孔连通的碳材料和高能量密度的全固态柔性微型超级电容器。

【文章简介】

近日,西安交通大学的陈元振教授和李磊教授合作,在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Preparation of Hierarchical Porous Carbon Sieve through the Decomposition-Templating of NaHCO3 for High Areal Energy Density Micro-supercapacitor”的文章。本论文旨在针对MSCs存在的能量密度低的问题,制备了一种具有相互连通、分级多孔结构的碳材料(称为碳筛),并将其作为电极材料,通过3D打印的方式构建了MSCs。碳筛的特殊结构有助于促进聚合物电解质在电极中的扩散和离子的传输。实验结果显示,利用碳筛作为电极的MSCs展现出超高的比容量和优秀的稳定性。同时该工作讨论了碳筛的成孔机制以及电极材料的结构对器件电化学性能的影响。本工作为开发廉价和高能量密度的全固态柔性MSCs提供了新思路和方法。

【本文要点】

要点一:通过简单的模板法制备了相互连通、分级多孔结构的碳筛

以生物质海藻为原材料,NaHCO3作为活化剂通过高温碳化制备了碳筛。在碳化过程中,NaHCO3分解为Na2CO3、H2O和CO2,其中,Na2CO3主要起到模板作用,影响碳筛形貌和大孔的形成;H2O和CO2起到化学刻蚀的作用,影响微孔的形成。同时,在高温下海藻本身含有的微量金属元素形成团聚,起到模板作用,影响了碳筛介孔和微孔的形成。

图1. 碳筛的制备过程及成孔机制

要点二:碳筛优异的电化学性能

在以H3PO4/PVA为电解质制备的全固态柔性微型超级电容器中,碳筛具有明显的电容行为,并且具有较高的比容量。在700 ℃下制备的碳筛具有最优越的电化学性能,在0.1 mA/cm2的电流密度下,MSCs的比电容高达53 mF/cm2,并且具有最高的电容贡献占比(76.9%)。此外讨论了相互连通、分级多孔结构对器件电化学性能的影响,说明碳筛是一种优异的全固态柔性MSCs的电极材料。

图2. 碳筛基MSCs的电化学性能以及碳筛结构对电化学性能促进的机制

要点三:打印多层电极提高MSCs的面积比容量

通过打印多层电极的方法制备MSCs,提高器件单位面积内的碳筛载量,从而提高器件的面积能量密度。将电极从一层增加到三层后,器件的面积比容量从53 mF/cm2提高到145 mF/cm2,远高于其他的碳基MSCs。并且在1 mA/cm2的电流密度下循环1万次后,容量保持率为96%。

图3. 三层MSCs的电化学性能及与其他工作的对比

【文章链接】

Preparation of Hierarchical Porous Carbon Sieve through the Decomposition-Templating of NaHCO3 for High Areal Energy Density Micro-supercapacitor

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150843