​用于高效电容储能的多孔石墨烯框架

用于高效电容储能的多孔石墨烯框架

PART 01
研究背景

电化学电容器 (EC)，也称为超级电容器，是一种极具吸引力的储能和移动电源技术。ECs 通常表现出优异的功率密度和循环寿命，但能量密度相对较差，至少比传统电池低一个数量级, 一般来说，高性能EC电极需要高导电性、高离子可及表面积、高离子传输速率和高电化学稳定性。为此，碳基多孔材料代表了最具吸引力的一类 EC 电极材料。当今可用的最先进的 EC 主要使用多孔活性炭电极构建。

PART 02
创新点

报告了一种具有分层多孔结构的三维多孔石墨烯框架作为高性能无粘合剂超级电容器电极。多孔石墨烯骨架电极具有较大的离子可及表面积、高效的电子和离子传输通道以及高堆积密度，可在有机电解质中提供 298 F g 1 的重量电容和 212 F cm 3 的体积电容。此外，本文表明，完全封装的设备堆栈可以分别提供 35Wh kg 1 和 49Wh l 1 的重量能量密度和体积能量密度，接近铅酸电池的能量密度。如此高能量密度的实现弥合了传统超级电容器和电池之间的差距，并可以为移动电源在各种应用中开辟令人兴奋的机会。

PART 03
文章解析

图 1.作为 EC 电极的理想材料的 HGF 的示意图。

(a,b) GF (a) 和 HGF (b) 的初始溶剂化 3D 大孔结构。(c,d) 溶剂化 GF (c) 和 HGF (d) 的压缩膜。(e,f) GF (e) 和 HGF (f) 薄膜的特写视图。

图 2.HGFs的制备和结构表征。

(a) HGF 和 HGF 薄膜的制备过程示意图。(b) 显示独立 HGF 的照片。(c) HGF 内部微观结构的扫描电子显微镜图像。(d) HGF 中多孔石墨烯片的透射电子显微镜 (TEM) 图像。(e) 用于比较的 GF 中非多孔石墨烯片的 TEM 图像。(f) 一张显示机械压缩前后 HGF 的照片。(g) 压缩的 HGF 薄膜的横截面 SEM 图像。

图 3. HGF-EC 和 GF-EC 在 6 M KOH 中的电化学表征。

(a) HGF-EC 和 GF-EC 在 1,000 mVs 1 的高扫描速率下的 CV 曲线。(b) HGF-EC 和 GF-EC 在 100 A g 1 的高电流密度下的恒电流充电/放电曲线。(c) HGF-EC 和 GF-EC 的比电容与不同电流密度的比较。(d) HGF-EC 和 GF-EC 的奈奎斯特图。插图显示了高频区域的特写视图。(e) 相位角与频率的伯德图。(f) HGF-EC 在 25 A g 1 电流密度下的循环稳定性。

图 4. EMIMBF4/AN 中 HGF-EC 的电化学表征。

(a,b) HGF-EC 的 CV 曲线 (a) 和恒电流充电/放电曲线 (b)。(c) HGF 和 GF 电极的比电容与不同电流密度的比较。(d,e) HGF 电极的重量 (d) 和体积 (e) 电容与不同电流密度的关系（石墨烯面质量负载分别为 1 和 10 mg cm 2）。(f) HGF-EC 在 20 A g 1 电流密度下的循环稳定性。

图 5 .HGF-EC 与其他最先进储能技术的能量和功率密度的比较。

PART 04
读后感

总之，本文的研究展示了一种新的 EC 电极设计，通过创建高度互连的 3D HGF，该 HGF 具有出色的导电性、出色的机械灵活性和独特的分级孔隙率，可以确保有效的电子和离子传输，使 HGF-EC 具有最高的重量分析和体积能量密度。重要的是，这些 HGF-EC 可实现的总能量密度与传统铅酸电池相当，并且具有更高的功率密度。HGFEC 实现如此高的能量密度弥合了传统电容器和电池之间的差距，并可以为移动电源在包括电动汽车和移动电子产品在内的广泛应用中开辟令人兴奋的机会。

原文链接：https://www.nature.com/articles/ncomms5554