表面电荷调控新策略提升碳基水系超级电容器能量密度的新进展发表于《Angew. Chem. Int. Ed.》

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。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。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)。若任一电极的电势先于另一个电极电势达到水分解电势,则还未开始发生水分解反应的电极的部分电位区间无法被利用。有效的开发利用这段电位区间将有希望极大地提升超级电容器的能量密度。

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最近,我院卢锡洪副教授研究小组发展了一种新颖的碳电极表面调控策略,有效提升了碳基水系超级电容器的工作电压,并实现了能量密度的进一步突破。研究首先通过“有机-无机杂化”凝胶作为碳前驱体制备出具有多级孔结构的碳电极。接着利用恒电压预充电的方法对电极表面的电荷进行调控,从而可控地改变电极的开路电位,进而调节碳基水系超级电容器的工作电压。实验结果证明,通过预充电策略调控中性电解液下碳基对称超级电容器电极的方法,可以有效地将超级电容器的工作电压由1.4 V调至1.8 V。更重要的是,随着工作电压的提升,超级电容器的能量密度得到了一倍的提升。本项研究同时也验证了表面电荷调控策略在酸性、碱性电解液碳基超级电容器中的应用,并且这种策略在水系非对称超级电容器的研究中也有巨大的应用潜力。相关成果最近以Boosting the Energy Density of Carbon-Based AqueousSupercapacitors by Optimizing the Surface Charge为题,发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,并被选为VIP paper和作为Frontispiece,于明浩博士研究生为第一作者(Minghao Yu, Dun Lin, Haobin Feng, Yinxiang Zeng, Yexiang Tong and Xihong Lu, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 5445-5459)。该文章一经发表便被ChemistryViews、材料人等多家科研交流平台推送报道。

上述研究工作得到了童叶翔教授的大力支持和国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、广东特支计划“科技创新青年拔尖人才”、珠江科技新星专项、广东大学生科技创新培育专项资金等项目的资助。

文章链接:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201602868/abstract

材料人推送链接:
http://www.cailiaoniu.com/75247.html

ChemistryViews推送链接:
http://www.chemistryviews.org/details/ezine/10519442/Optimizing_Aqueous_Supercapacitors.html


文章录入:李心宇      责任编辑:李心宇
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