近日，beat365儲偉教授和團(tuán)隊骨干與清華大學(xué)，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)合作，在高能量-功率密度超級電容器研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果“Cross-Coupled Macro-Mesoporous Carbon Network toward Record High Energy-Power Density Supercapacitor at 4 V”已發(fā)表于國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》(IF=13.325)，并選做封面論文。四川大學(xué)beat3652017級博士研究生李敬為該論文第一作者，beat365為第一單位。
圖1 （上）封面展示，借助“大禹治水”疏通河道的思想來比喻電解質(zhì)離子在大孔-介孔碳電極材料的快速傳輸；（下）大孔-介孔碳在4 V超級電容器中的性能
超級電容器相對于鋰離子電池具有超高的功率密度和長壽命而備受關(guān)注。然而基于離子吸脫附儲能機(jī)理的雙電層電容，由于其能量密度較低，是實際應(yīng)用的瓶頸。根據(jù)雙電層的儲能公式：E=0.5CV2，能量密度與電極材料的比電容C以及工作電壓V的平方成正比。因此，高能量密度的超級電容器要求電極材料能提供大的比電容，同時需要合適的電解液在寬的工作電壓下而不發(fā)生分解。解決這一辦法的常用途徑是將多孔碳電極材料與寬電壓窗口的離子液體電解液進(jìn)行搭配。然而，由于離子液體自身尺寸較大，粘度較高，在與多孔碳材料（尤其是微孔活性炭）進(jìn)行匹配時，往往由于材料的孔結(jié)構(gòu)與離子液體的尺寸不匹配，導(dǎo)致離子在孔內(nèi)的吸脫附過程（質(zhì)量傳遞）變得異常艱難，最終提升了能量密度，而喪失了超級電容器自身高功率密度的優(yōu)勢。如何克服多孔碳材料和離子液體之間的兼容性問題，使超級電容器發(fā)揮高能量-功率特性是一項巨大的挑戰(zhàn)。
基于這一關(guān)鍵問題，課題組研究人員采用綠色低成本的鹽模板法，從生物質(zhì)明膠中制備出了一種獨特的大孔-介孔耦合碳電極材料，并以EMIBF4離子液體為電解質(zhì)，在4V的工作電壓下，取得出色的能量-功率性能，在1 kW kg-1的功率密度下，獲得92 Wh kg-1的能量密度，在200 kW kg-1下，仍能保留39 Wh kg-1，達(dá)到目前同類多孔碳材料性能最高值。該電極材料的特點在于: 介孔尺寸在2-4 nm，是EMI+和BF4-尺寸的3~5倍，同時大量的介孔都鑲嵌耦合在50-150 nm的大孔骨架中，此類大孔-介孔耦合的結(jié)構(gòu)為EMI+和BF4-提供了流暢的傳輸路徑，極大地改善了電解質(zhì)在孔內(nèi)的質(zhì)量傳遞，使得功率密度得到有效的保證。同時，由于該材料具有~2800 m2 g-1的超高比表面積，保證材料具有充足的吸脫附活性位點，利于電荷大量存儲。
圖2 大孔-介孔碳的結(jié)構(gòu)特征
圖3 鹽模板法制備大孔-介孔碳的思路
對于制備方法，值得一提的是，廉價的NaNO3可溶鹽既是大孔的物理模板劑，同時在600 oC以上，也是產(chǎn)生介孔的化學(xué)活化劑。在后續(xù)除模板過程中，無需通過酸清洗，直接采用水洗的方法便能得到高純度的材料，通過更換其他鹽模板或者碳源，能夠獲得一系列的多孔材料，具有方法學(xué)上的普適性。同時。該大孔-介孔碳可放大制備，制作出接近商業(yè)負(fù)載量（~8 mg cm-2）的超級電容器軟包，能夠給多種器件持續(xù)供能，具有較大的應(yīng)用潛力。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201806153
另外，課題組前期在超級電容器領(lǐng)域也取得了一系列進(jìn)展。采用金屬模板法獲得多功能的高性能儲能材料，相關(guān)成果Flexible metal-templated fabrication of mesoporous onion-like carbon and Fe2O3@N doped carbon foam for electrochemical energy storage（封底論文）”發(fā)表在《Journal of Material Chemistry A》(IF=9.931)。原文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ta/c8ta02417k#!divAbstract
圖4 （上）封底展示，金屬模板法制備的洋蔥碳和金屬復(fù)合材料；（下）微波快速合成的NiCo雙氫氧化物用于電化學(xué)儲能。
開發(fā)了一種微波快速合成高穩(wěn)定性α相NiCo雙氫氧化物的方法，成果“High-stable a-phase NiCo double hydroxide microspheres via microwave synthesis for supercapacitor electrode materials”發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》（IF=6.735）。原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894717300578
儲偉教授課題組 供稿
李天友 審核
高敏 編輯
2019年1月17日
