1.Bottom-UpFabrication of Sulfur-Doped Graphene Films Derived from Sulfur-AnnulatedNanographene for Ultrahigh Volumetric Capacitance Micro-Supercapacitors.(J.Am.Chem.Soc. , 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00805)
中科院大连化物所吴忠帅研究员与包信和院士、中科院物理研究所郭丽伟研究员合作,采用高温热解SiC法制备出高堆叠密度、单取向阵列、直接键合基底的站立石墨烯,并将其应用于高功率微型超级电容器。
多功能集成电路的不断发展增加了对小型化、集成化微纳储能系统的需求。微型超级电容器因具有轻量化、厚度薄、体积小、高功率密度、长循环寿命和快速频率响应等优点,受到广泛关注。其中,设计和构筑非常规、结构有序定向、高离子-电子混合导电、强界面键合的电极材料是发展高功率储能器件重要的研究方向之一。
研究人员利用高温热解SiC基底方法制备出高堆叠密度、高导电、单一取向的站立石墨烯阵列。与传统电极材料相比,该阵列直接生长在导电SiC基底上,在电极材料与集流体之间形成较强的界面键合作用,并建立了有效的离子和电子传输通道。电解液离子可沿着站立石墨烯平面无障碍快速移动,有效缩短了电解液离子路径,同时,电子从石墨烯平面到集流体实现了快速传输及其存储。采用该阵列的微型超级电容器在凝胶和离子液体电解液中均表现出较高的面容量、快速的频率响应(9毫秒)、优异的循环稳定性以及超高扫描速率(200V/s)。该超级电容器功率密度达到61W/cm3,理论上可为小型化、集成化电子设备提供足够的峰值功率。上述工作为发展强界面键合电极材料应于高功率超级电容器提供了新方法。
新闻来源:科学网
2. 3DPorous Nanoarchitectures Derived from SnS/S-Doped Graphene Hybrid Nanosheetsfor Flexible All-Solid-State Supercapacitors. (Small,2017, DOI: 10.1002/smll.201603494)
中科院石墨烯基超级电容器研究获突破。中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所博士王奇和南京师范大学教授韩敏课题组合作,在高性能杂原子掺杂石墨烯基纳米结构的规模化制备及其在柔性全固态超级电容器应用方面取得新进展。部分研究成果已在线发表于国际期刊Small上,并被选为该杂志的Inside Front Cover。
为满足人们对柔性可穿戴电子产品日益增长的需求,迫切需要发展柔性全固态功率源或能量储存装置。要想实现这一目的,关键在于设计开发出兼具优异储能和机械性质的电极材料。杂原子掺杂石墨烯以及2D层状金属硫化物(LMCs)纳米结构的出现,为高性能电极材料的设计带来了新的契机,但其储能性能(能量密度、循环稳定性等)尚需进一步提高。能否将上述两类材料有效“联姻”或耦合,从而发展出高性能的电极材料,至今仍是材料科学和化学领域极具挑战性的课题。
针对上述问题,王奇和韩敏课题组开展了合作,利用可控热转换油胺包裹的SnS2-SnS混相纳米盘前驱物的策略,巧妙地将有机分子的碳化、掺杂、相转换和自组装等重要的物理化学过程集成于一体,首次成功实现了硫掺杂石墨烯(S-G)和SnS杂化纳米片的原位合成与组装,得到了新颖的3D多孔SnS/S-G 杂化纳米建筑。相比传统合成策略,该方法具有简单高效、重现性好、可规模化制备等优点,为延伸和拓展掺杂石墨烯材料在清洁能源、光电和传感等重要技术领域的应用奠定了基础。在三电极体系中以KOH溶液作为电解液,所得3D石墨烯复合材料质量比电容高达642 F g-1(电流密度为1 A g-1),远高于近来报道的石墨烯复合物和其他电活性材料(如体相和纳米级的SnS及其复合物、G-Mn3O4纳米棒、G-CoS2、2D CoS1.07/N- C纳米杂化体等)。随后,进一步研制出了柔性全固态超级电容器器件ASSSCs,展现出优异的电化学储能性能:面积比电容高达2.98 mF cm-2、优异的长程循环稳定性(99% for 10000 cycles)、优秀的柔性和机械稳定性(可反复折叠或弯折1000次以上而性能不变),优于报道的石墨烯、2D SnSe2和SnSe以及3D GeSe2纳米结构基柔性ASSSCs。这项工作提出了原位集成和组装2D纳米结构单元来构建3D多孔杂化纳米建筑或骨架材料的新策略,且具备规模化制备的前景,为今后理性设计高性能的杂化电极材料,发展柔性功率源或能量储存装置铺垫了道路。此外,通过优化设计和组合,还有望延伸出其它类型的多功能3D多孔骨架材料,后续工作正在进行之中。
新闻来源:千龙网
南京理工大学杨梅博士与南开大学周震教授合作对富氮多孔碳材料在超级电容器中应用的储能机理、研究现状和发展方向等方面进行了阐述和总结。首先对碳材料中几种主要氮掺杂类型的结构特征和电子特性进行了分析,阐述了氮掺杂含量与导电性和孔结构之间的相互制约影响,并对其在不同电解液中的电化学行为进行了简单评述。同时,总结了富氮多孔碳材料对超级电容器比能量提升的促进作用,列举了其在水系非对称、新型对称到新兴非水混合体系中应用的相应突破性成果。最后对目前所存在的问题和挑战进行了系统总结,并对未来的研究方向提出了见解,对富氮多孔碳材料在超级电容器中的实际应用提供了指导。
正因为超级电容器具有快速充放电、长循环寿命和高安全性等优点,它已成为能源储存体系的研究重点,但一直难以突破其较低能量密度的瓶颈。氮掺杂能够对碳材料的导电性、孔结构和电化学活性位点进行调节,因而氮掺杂碳材料被认为是很有前景的超级电容器电极材料。尤其是近两年来,富氮多孔碳材料在超级电容器领域取得了突破性进展,在保证大功率的前提下获得可媲美电池级别的高比能量。
碳基超级电容器因其优良的快速充放电能力和超长的循环稳定性能一直是超级电容器的一个大类,其商业化超级电容器亦开始逐步进入电子设备市场。随着当代电子设备对超长续航能力的需求日渐增强,超级电容器的能量密度需相应得到大幅提升。超级电容器的能量密度与电极电容成正比,与电位窗口大小的平方成正比。对于廉价、环保的水系碳基(即以碳材料为电极材料,离子盐水溶液电解质)超级电容器而言,提升电极的比电容和延展电位窗口是提高其能量密度的两个有效途径。实验表明,构筑具有微孔、介孔、大孔的多级孔结构碳材料可提升碳基电极的比电容。这是因为微孔结构可以为离子吸附提供丰富的吸附活性位点,同时介孔与大孔则可作为离子扩散至微孔表面的快速传输通道。此外,相较于酸性和碱性水系电解液,中性水系电解液因其较低的氢离子和氢氧根离子浓度,电极表面析氢和析氧超电势较高,可使碳基超级电容器的工作电压扩展至1.6 V,从而获得较高的能量密度。然而对于中性水系超级电容器,其整体的工作电压窗口仍会受限于水分解反应(正极:析氧反应;负极:析氢反应)。
中山大学卢锡洪副教授(通讯作者)课题组展示了一种通过控制多级孔碳电极表面开路电位位置来有效拓宽碳基水系超级电容器的工作电压窗口的策略。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,题为“Boosting theEnergy Density of Carbon-Based Aqueous Supercapacitors by Optimizing theSurface Charge”,并被选为VIP文章。
作者们通过双重策略显著提升了碳基水系超级电容器的能量密度:其一,合成多级孔碳电极:将含有氯化镍-氢氧化钾的聚乙烯醇凝胶喷涂至碳布上,然后在惰性气氛(氮气)中将凝胶碳化,并在盐酸溶液中将生成的镍颗粒溶解以制备具有多级孔结构的碳电极;其二,调控P0V:利用恒电压预充电策略对电极表面的电荷进行调控,从而可控地调整P0V,进而将碳基水系对称超级电容器的电位窗口由1.4 V扩展至1.8 V。因此,该超级电容器的能量密度获得了两倍提升,达到可与部分非对称赝电容超级电容器(往往具备高能量密度)相媲美的高度。此外,文章中展示的方法对提升使用酸性、碱性水性电解液的碳基对称超级电容器的能量密度同样有效。
新闻来源:搜狐网
柔性化、微型化、智能化电子产品的快速发展,促进了微型超级电容器等储能器件的进步。传统微纳加工技术,如湿法光刻,操作繁琐、过程复杂、成本较高,不适宜批量化生产。此外,以氧化石墨烯为前躯体制备的微型超级电容器,还需要增加化学还原或热还原等步骤。因此,高效、低成本、大规模生产石墨烯微型超级电容器件技术仍面临诸多挑战。
中国科学院大连化学物理研究所二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队利用紫外光还原氧化石墨烯技术,一步法实现了氧化石墨烯的还原与石墨烯图案化微电极的构筑,批量化制备出不同构型的微型超级电容器。相关研究成果发表在ACS Nano(DOI:10.1021/acsnano.7b01390)上。
该研究团队利用紫外光还原氧化石墨烯技术,实现了氧化石墨烯的高效还原与石墨烯微电极的图案化一步完成,并批量化制备出不同构型的微型超级电容器。与现有制备技术,如湿法光刻、喷涂打印不同,该技术具有操作流程简单、成本低、条件温和等特点,并能够高效构建出不同构型、集成化的微型功率源。制备得到的电容器在离子液体中表现出较高的扫描速率(200V/s)、能量密度(7.7mWh/cm3)和功率密度(312W/cm3)。该工作为一步法简化制备石墨烯微型超级电容器提供了新思路,并证实了可通过调控薄膜电极与电解液界面的浸润性能显著提高器件的电化学性能。