中科院煤化所陈成猛团队Carbon：自支撑石墨化复合纳米炭电极用于高频超级电容器

1. 引言

由于超级电容器具有高比电容，优异速率能力和长循环寿命等优点而有望在脉冲能量回收、可穿戴自供电传感系统、任意波形滤波、交流/直流转换等方面发挥重要作用。然而，由于炭电极材料孔结构复杂，传统超级电容器的最大工作频率一般低于1Hz，难以适应高频应用的需求。因此，实现更高频率下的响应和容量的保持是高频超级电容器领域积极追求的目标。

2. 成果简介

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员与苏方远副研究员（共同通讯作者）等人证明了超高温石墨化是一种提高炭电极超级电容器频率响应能力的有效方法。石墨化复合膜的高电导率和较少石墨烯边缘的暴露，有利于电子传输和电化学双电层的建立，从而提高高频超级电容器的响应速度。作者利用拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)研究了边缘对离子吸附行为的影响，提出边缘可能是影响高频超级电容器频率响应的主要因素。同时将SC-2800成功地应用于交流滤波电路。这项工作将为高频超级电容器的合理设计提供一个新的见解。

该成果以题为“Self-standing graphitized hybrid Nanocarbon electrodes towards high-frequency supercapacitors”在Carbon期刊发表，文章第一作者为中国科学院山西煤炭化学研究所研究生范亚锋。

3.  图文导读

图1. (a) 复合膜的制备过程，(b) 氧化石墨烯AFM，(c) CNT/rGO-2800复合膜截面SEM，(d) 复合膜柔性展示。

图2. 复合膜截面SEM：(a，d) CNT/GO，(b，e) CNT/rGO-1600和(c，f) CNT/rGO-2800。(g)氮气吸脱附曲线，(h) 孔径分布，(i) XRD。

图3. (a) 拉曼总谱和(b-d) 一阶拉曼拟合曲线，(e) 面内和面外电导率，XPS总谱(f) 与XPS C1s谱: (g) CNT/GO,(h) CNT/rGO-1600和(i) CNT/rGO-2800。

图4. (a-e) 0~1000 V/s扫描速率范围内的CV曲线，(f) 放电电流密度与扫描速率关系图。

图5. (a) Nyquist图，(b) Bode图，(c) C_A，(d) C_A’，(e) C_A’’，(f) C_A’/C_A与耗散因子(DF)。

图6. 石墨烯束缚电荷(a) Zigzag (b) Zigzag-57 (c) Armchair (d) Armchair-677。黄色和蓝色区域分别代表正电荷和负电荷, 等值面设置为0.00015e Bohr^-3。

图7 SBP⁺和BF₄^-在(a) Zigzag (b) Zigzag-57 (c) Armchair (d) Armchair-677边缘的吸附模型。(e) SBP⁺和BF₄^-在不同石墨烯边缘的吸附能。(f) 富边缘缺陷石墨烯双电层电荷储存示意图。

图8 (a) SC-2800、活性炭和铝电解电容器Bode图，(b) 滤波测试电路图，(c) 交流/直流信号转换示意图。输入信号为(d) sine，(e) triangle和(f) sinc时，测得滤波电路在1MΩ负载下的输出信号。实际交流输入信号(g)和输出信号(h)的数码照片。

4. 小结

通过简单而高效的高温石墨化过程，我们成功地制备了基于石墨化自支撑石墨烯/碳纳米管复合膜的高频超级电容器。复合膜优异的导电性和三维连续网络有利于高频超级电容器优异的速率性能。我们进一步证明，对于炭电极来说，由于边缘区域较高的表面束缚电荷密度与电解液离子吸附能，从而导致了离子响应速度较慢。本研究强调了边缘缺陷修复对离子响应速度的影响并且为未来高频储能器件的发展提供了一个崭新的视角。