三维激光转化石墨烯:一种超高功率超级电容器电极制备技术

日期:2019-02-28 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:互联网

超级电容器是近年来快速发展的一种储能器件。超级电容器的能量密度和功率密度填充了可充电电池和铝电解电容器之间的空白。但是其功率密度距离铝电解电容器之间仍然有很大的差距。高功率电容器是电容器发展中的一个重要研究方向。

高功率超级电容器在可再生能源并网和电子电路的调频中有巨大的应用潜力。石墨烯电极,由于具有较高的电导率和短的离子传输路径,是高功率电容器潜在的重要电极材料。但是石墨烯的制备过程复杂,产量低,因而他们的应用受到限制。生物质具有来源广、产量高和可再生性好等特点。通过水热碳化生物质(例如,纤维素、木质素、淀粉以及葡萄糖等)可以获得无定形的水热炭。

但是水热炭的孔结构不够发达,同时其电导率极低,因而其超级电容器应用受到限制。 近期,沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的Husam N. Alshareef教授及其团队采用CO2激光一步转化水热炭球为三维石墨烯(LSG)电极。CO2激光转化实现了水热炭从sp3碳到sp2炭之间的转化。LSG的骨架内部是乱层的多层石墨烯结构。通过CO2激光转化水热炭,LSG获得了三维开放的大孔结构,较高的比表面积(87.8 m2 g-1)和较高的电导率(33.6 S cm-1)。

更重要的是,这种CO2激光直接转化的方法是一种石墨烯电极的直接制备技术,在激光转化过程中,可以实现石墨烯和金属集流体的直接组装。LSG电极组装的对称超级电容器具有超高的功率特性:在1-2 V的电压区间,LSG的功率密度为28 W cm-3,是商业活性炭超级电容器的28倍。与此同时,LSG电极表现出很高的频率响应(120 Hz的RC时间常数为0.517 ms)和很长的循环寿命(1万次循环容量保持率>98%)。

本研究提供了一种生物质直接转化为高功率石墨烯电极的方法。同时,这种方法避免了从活性物质到电极之间的涂覆过程,可以直接用于现有的有机电解液超级电容器体系,因而,是一种很有潜力商业化的电容器电极制备方法。相关论文在线发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900005) 上,论文的第一作者为张文礼博士。