山西煤化所陈成猛课题组在高性能超级电容器构筑方面取得系列进展

超级电容器具有高功率密度和长循环寿命等优点，但较低的能量密度制约了其大规模应用，而构筑纳米结构电极材料和构筑新型电容器是有效的解决途径。中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛课题组通过精准设计纳米结构电极材料、以及组装非对称电容器和柔性全固态电容器实现了其能量密度地显著提升，并取得了一系列进展。

研究人员以聚苯乙烯链段作为自模版剂，聚丙烯腈链段作为富氮碳源，经炭化和活化，形成多级孔结构的炭材料，在水系对称器件中展现出高倍率和循环稳定性。该工作为构筑兼具层次孔结构和丰富表面化学的高性能炭电极材料提供了新思路。相关工作已发表在Energy Storage Materials, 2016, 3, 140-148.

　　图1 嵌段共聚物基层次孔富氮炭SEM图片以及循环性能

进一步利用生物质柳絮天然通道作模板，通过调控碳化和活化条件，制成了管状、多孔、大比表面积炭材料。以此多孔炭电极构建的有机系超级电容器显示出高比容量与长寿命的特点。研究成果以封面的形式发表在J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 1637-1646。

　　图2 柳絮基多孔炭材料示意图

针对目前由于水分移除产生的毛细管作用力会引起孔收缩甚至坍塌，导致碳气凝胶的比表面积较低的问题，研究人员将氧化石墨烯添加到酚醛树脂中，利用氧化石墨烯作为模板剂和增强剂的特性来调控碳气凝胶的孔结构，经一步碳化法获得了超高比表面积（2728 m2•g-1）的碳气凝胶。所得的碳气凝胶有望用作超级电容器电极材料以及Li电池和Na电池的负极材料。相关工作以快讯（Communication）形式发表在Microporous and Mesoporous Materials, 2016 , 240 :145-148。

　　图3 （a）溶胶凝胶阶段，冷冻干燥阶段，高温碳化阶段的实物图；（b）溶胶凝胶阶段，冷冻干燥阶段，高温碳化阶段的机理图及电镜图

为进一步拓展水系超级电容器的工作电压，课题组与700组研究人员将带有相反电荷的钴镍双金属氢氧化物和氧化石墨烯纳米片通过静电作用，进行可控的层层组装，并经后续热处理，制得具有层状结构的NiCo2O4/石墨烯复合材料，并构建了稳定工作电压达1.5V的NiCo2O4/石墨烯复合材料//活性炭非对称超级电容器体系。其展示了优异的循环性能以及高的能量密度。相关文章发表在Energy Storage Materials (DOI: 10.1002/advs.201600408)。

　　图4 NiCo2O4/石墨烯复合材料制备示意图；NiCo2O4/石墨烯复合材料循环稳定性；NiCo2O4/石墨烯复合材料//活性炭非对称电容器的功率密度和能量密度图

针对纯石墨烯膜普遍存在紧密叠层、团聚与易碎的问题，课题组与700组研究人员通过在石墨烯层间引入带正电荷的Fe(OH)3胶体，抽滤成膜后经水热还原获得了石墨烯/Fe2O3复合薄膜，并构建了全固态超级电容器。由于该薄膜固有的柔性特征，组装的全固态电容器在弯曲180度条件下，容量几乎无衰减，说明其在柔性储能领域有潜在应用前景。相关工作发表在ChemElectoChem (DOI:10.1002/celc.201700253)。

　　图5 石墨烯/Fe2O3复合薄膜制备示意图

　　这些工作得到了国家自然科学基金、山西省自然科学基金和山西省煤基重点科技攻关项目的大力支持。