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调控石墨烯缺陷制备高能量密度、高功率密度超级电容器 已有3人参与
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文章分享：调控石墨烯缺陷制备高能量密度、高功率密度超级电容器 石墨烯基纳米碳材料作为超级电容器的绝佳电极材料，单层石墨烯拥有2675 m2 g−1的高比表面积，由理论计算所得的双电层电容上限值约为21 μF cm−2 (约550 F g−1)。尽管如此，高能量密度超级电容器仍存在两大瓶颈：（1）由于电解质中离子只能接触到50%－70％的理论比表面积，限制了总电容量的提高，使得可获得的能量密度较低；（2）量子电容的存在限制了由石墨烯表面的双电层电容的形成，近一步降低了电容量以及能量密度。目前，提高能量密度的方法主要集中于提高活性物质表面积或通过引入氧化还原活性物质以提高法拉第赝电容，但是解决上述瓶颈问题的方法鲜有报道。  图1 电解质离子与缺陷形成的孔的相互作用，（a）少层石墨烯中缺陷形成的孔使电解质离子（如：TEA+）可由此进入层间，由密度泛函理论计算得出（b）TEA+的插层相对于（c）四丁基铵（TBA+)的插层更容易实现，（b）和（c）中，灰色球、蓝色球、白色球分别代表碳原子、氮原子和氢原子  图2 氮掺杂石墨烯泡沫制备高能量、功率密度的纽扣电池 （a）石墨烯泡沫（GF）、氩离子处理石墨烯泡沫（PGF)、氮掺杂石墨烯泡沫(NGF)组装的纽扣电池循环性能曲线比较，扫描速度1000 mVs-1，（b）将石墨烯（GF)泡沫纽扣电池与传统超级电容器（SC)、锂离子电池及其他能量储存设备的能量密度进行比较的Ragone图。 近日，美国克莱姆森大学的Jingyi Zhu等人利用对石墨烯中缺陷的调控提出了有效解决上述瓶颈的方法。通常而言，缺陷被认为是性能的终结者，然而在少层石墨烯特定区域中控制缺陷的存在可实现150%面电容密度的提高(约50 μF cm−2)。由密度泛函理论计算得出，吡咯氮掺杂可提高电子态密度，减轻量子电容的影响。此外，四乙铵（TEA+)离子可以通过由缺陷所形成的孔进入少层石墨烯层间，有效地提高电荷储存能力。更重要的是，少层石墨烯泡沫相对于传统活性碳超级电容器，其能量密度提高至少五倍以上。 免责声明: 相关研究成果发表于国际知名期刊 Adv. Mater.(DOI:10.1002/adma.201602028)上。 原文地址原文链接 |
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