北京化工大學王峰Energy Storage Materials：兼具電池-電容儲能特點的鋰離子電容器多孔炭電極材料

【引言】

鋰離子電容器（LICs）作為一種混合型儲能器件，兼具了鋰離子電池和超級電容器的儲能特點。LICs的負極材料為具有鋰離子電池儲能特點的電極材料，通過表面的電荷轉移過程和鋰離子的嵌入/脫出過程為LICs提供較高的能量密度。而LICs的正極材料為具有超級電容器儲能特點的電極材料，通過雙電層電容或贗電容的儲能形式為LICs提供較高的功率密度以及較長的循環壽命。然而，目前報道的LICs負極材料（如石墨、硅、過渡金屬化合物等）仍面臨著可逆容量低、倍率性能差或循環壽命短等問題。盡管通過引入介孔通道或設計復合結構可提高材料的儲鋰性能，但這些方法會大大提高材料合成難度及成本，限制其實際應用。另一方面，作為LICs正極材料的活性炭雖具有很高的比表面積，但是其比表面積大部分來自于孔道半封閉、無規則的微孔。在快速的充放電過程中，很難充分利用這些微孔比表面進行電荷儲存。尤其是在具有較大離子尺寸的有機電解質體系中，活性炭表現出了較差的能量和功率輸出。正負極材料的諸多問題，限制了鋰離子電容器的性能提高和實際應用。因此，仍需尋求低成本、高性能的新型鋰離子電容器電極材料。

【成果簡介】

近日，北京化工大學王峰教授帶領的團隊提出一種制備低成本、高性能鋰離子電容器電極材料的新策略。在該工作中，研究人員以低成本的生物質廢棄物羊骨為前驅體，在無任何外加活化劑及模板的條件下，通過簡單的熱處理直接得到具有高缺陷密度的介孔炭材料（HDMPC）。研究發現，羊骨中的羥基磷灰石在熱解過程中逐步釋放出水蒸氣和二氧化碳，進而對膠原基炭材料進行原位活化，得到了具有比表面積高、本征缺陷及雜原子誘導缺陷豐富的介孔炭材料。豐富的缺陷和獨特的孔結構賦予了HDMPC電容和電池的儲能特征。在半電池測試中，HDMPC作為正極和負極材料都表現出了優異的性能。以HDMPC作為正負材料的鋰離子電容器表現出了高的能量密度（106.4 Wh kg^-1）和功率密度（88.8 kW kg^-1），以及優異的循環穩定性（循環8000次后仍具有88.3?%的初始容量）。該成果以題為“Porous carbon electrodes with battery-capacitive storage features for high performance Li-ion capacitors”發表在Energy?Storage?Materials上。

【圖文導讀】

圖1.HDMPC形貌的相關表征

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HDMPC的(a, b)?SEM和(c, d) TEM形貌。

圖2.HDMPC孔結構相關表征及形成機理分析

(a) HDMCP的N₂吸/脫附等溫線及DFT孔徑分布。羊骨在氬氣氣氛下的(b) TGA和(c)相應的MS曲線。(d)羊骨在氬氣氣氛中熱解前后的FT-IR曲線。羊骨在空氣氣氛下的(e) TGA和(f)相應的MS曲線。

圖3.HDMPC結構的相關表征

(a) XRD譜圖。(b) Raman光譜。?(c) XPS能譜及高分辨的(d) C1s, (e) N1s和(f) O1s能譜。

圖4.HDMPC正極材料性能測試

(a)不同掃速下的循環伏安測試。(b)不同電流密度下的恒流充放電測試。(c, d)循環性能測試。

圖5.?HDMPC負極材料性能測試

(a)不同掃速下的循環伏安測試。(b)電容和擴散控制過程對容量貢獻的計算。(c, d)不同電流密度下的恒流充放電測試曲線和容量，(e, f)循環性能測試 (測試前已預先對HDMPC電化學嵌鋰)。

圖6.?HDMPC|| HDMPC鋰離子電容器性能測試

(a)鋰離子電容器放電過程示意圖。(b)不同掃速下的循環伏安測試。 (c)不同電流密度下的恒流充放電測試。(d)鋰離子電容器的Ragone曲線及與已報道的鋰離子電容器性能對比。(e)鋰離子電容器的循環性能測試。

【結論】

研究人員以低成本的生物質廢棄物羊骨為前驅體，通過直接熱解法制備得到了高缺陷的介孔炭材料。豐富的缺陷及獨特的孔結構使得該材料兼具電池-電容的儲能特點，無論作為正極和負極材料都表現出了優異的性能。以該材料作為正負極的鋰離子電容器具有高的能量密度和功率密度，以及優異的循環穩定性。該工作不僅為多孔炭材料的制備提供了一種低成本、綠色高效的方法，也為高性能鋰離子電容器的組裝設計提供了新思路。

【文獻信息】

文獻鏈接：Porous carbon electrodes with battery-capacitive storage features for high performance Li-ion capacitors?(Energy Storage Materials, 2018, DOI：10.1016/j.ensm.2017.12.012)

本文由材料人編輯部新能源組牛越供稿，點我加入材料人編輯部。

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