3D Carbon Frameworks for Ultrafast Charge/Discharge Rate Supercapacitors with High Energy-Power DensityChangyu Leng, Zongbin Zhao*, Yinzhou Song, Lulu Sun, Zhuangjun Fan, Yongzhen Yang, Xuguang Liu, Xuzhen Wang, Jieshan Qiu*Nano‑Micro Lett.(2021)13:8https://doi.org/10.1007/s40820-020-00535-w

本文亮点1. 由互联互通纳米笼构筑的三维碳质料具有高的比外貌积、发家的分级孔道布局和优良的导电网络。

2. 三维碳质料的外貌氧极低，在充放电进程中，有助于离子液体电解液的快速传输，抑制了高电压窗口下副回响的产生。

3. 外貌氧极低的三维碳质料，在水系和离子液体系超等电容器中，均揭示出超快的充放电速率及超高的能量/功率密度。

内容简介兼具高能量密度/高功率密度的“双高”超等电容器具有辽阔的应用前景，其机能的进一步晋升是海表里存眷的一个挑战性课题。从电极质料和电解液角度着手，可以或许晋升超等电容器的比容量和电压窗口，进而晋升其能量密度；今朝的难点之一，是如安在保持超等电容器的高功率密度前提下，制止能量密度的严重衰减。碳电极质料是“双高”超等电容器的焦点质料，若其外貌氧含量过高，在较高电压下就会产生副回响发生大量气体，从而导致器件容量的急剧衰减和低的轮回利用寿命。大连理工大学化工学院邱介山传授和赵宗彬传授团队针对碳基双电层电容器在高功率密度下能量密度衰减严重的困难，制备了一种外貌低含氧、互联互通碳纳米笼构筑的三维碳质料，用于组装耐受4 V高压的离子液体体系的对称超等电容器，揭示出超快的充放电速率，在极高的功率密度下，仍能保持超高的能量密度。本文提出了一种团结化学发泡、原位活化和外貌氢还原的计策，制备获得外貌低氧含量、互联互通纳米笼构筑的三维碳质料(3DCF-DO)。以离子液体为电解液，组装了4V高电压的对称超等电容器。该超等电容器揭示出超快的充放电速率(在100 A/g的电流密度下仅需0.65 s可充最大容量的77.4%)，且在极高的功率密度下仍能保持较高的能量密度(34 Wh/kg@150 kW/kg)。图文导读I 互联互通碳纳米笼构筑的三维碳质料的布局研究回收一步化学发泡和原位活化的要领，制备出由互联互通碳纳米笼构筑的三维碳质料(3DCF)。该三维碳质料有高的比外貌积、发家的分级孔道布局和精采的导电性。互联互通的碳纳米笼有利于电解液的存储、充实浸润和快速扩散，提高了充放电速率。高的比外貌积有利于提供高的比容量和能量密度，符合的孔径漫衍、抱负的外貌物化机能和优良的导电性有助于离子的传输和电子的通报，为“双高”超等电容器的构筑提供了大概。

图1. 互联互通碳纳米笼构筑的三维碳质料的布局：(a) 纯PVP基碳质料的SEM照片。(b, c) 三维碳质料的SEM照片。(d) 纯PVP基碳质料的TEM照片。(e, f) 三维碳质料的TEM照片。II 低外貌氧三维碳质料的孔布局和外貌机能研究

3DCF质料具有明明滞后环的IV型氮吸附-脱附等温线。在化学发泡进程(450 °C)之后，3DCF-450就具有1502 m2/g的比外貌积。随温度的升高(700-900 °C)，KNO₃热解发生K原子对周围的碳框架举办刻蚀发生大量的微孔和中孔，致使3DCF-700，3DCF-800，3DCF-900的比外貌积逐渐晋升到2098，2592及2602 m2/g。3DCF质料的中孔/微孔比，也随温度的上升而增大，说明质料中的微孔逐渐转变为尺寸更大的中孔。由孔径漫衍图可看出，3DCF质料的孔径漫衍主要会合在1-2、2-5和8-20 nm。大量的微孔是由K的原位活化形成的，由于活化进程中释放的CO₂对碳框架的刻蚀浸染和K进一步的活化，使微孔逐渐转变为中孔。质料中的中孔布局在充放电进程中有利于离子液体电解液中的EMI⁺离子(~0.7 nm) 的快速输运。3DCF质料的分级孔道布局不只有利于储能和快速离子转移，且缩短了离子扩散的路径。XPS阐明表白，在450、700、800和900 °C下制备获得的3DCF质料，其氧含量别离为11.33、8.63、7.90和5.80 at.%。颠末氢还原脱氧处理惩罚后，3DCF-DO的外貌氧含量下降至1.69 at.%，表白在H₂/Ar殽杂空气中高温退火可以或许有效地脱除3DCF-900外貌的大部门氧官能团。

图2. 三维碳质料的孔布局和外貌性质研究：(a) 3DCF质料的氮气吸脱附等温线。(b) 3DCF碳质料的孔径漫衍。(c, d) 3DCF质料的XRD及Raman阐明。(e) 3DCF质料的XPS阐明。(f) 差异温度及脱氧前后3DCF质料的氧官能团种类的变革。III 三维碳质料作为水系超等电容器电极质料的电化学机能研究在6 M KOH水系电解液中，测试了3DCF//3DCF对称超等电容器的电化学机能，所有GCD曲线均显示高度对称的等腰三角形表面。外貌脱氧后的3DCF-DO质料之比电容为168 F/g，在100 A/g的大电流密度下，最大电容可保持78%。而脱氧前3DCF-900质料的电容保持率为70%。从3DCF-DO的GCD曲线获得的IR降随电流密度呈线性变革；在100 A/g的大电流密度下，3DCF-DO的IR仅为0.064 V，远低于先前文献报道值。与3DCF-900对比，低外貌氧3DCF-DO质料的Nyquist图在高频区域有一个较小的半圆且在低频区域险些为垂直线，表白较小的Rct、Rs和更抱负的电容行为。在5.4 Hz的-45°的相位角下，3DCF-DO的Bode相图显示出特征频率(F₀)，对应于0.19 s的弛豫时间常数(τ₀=1/F₀)。快速频率响应与低外貌氧3DCF-DO电极质料的超快充放电机能相对应。另外，在100 A/g的大电流密度下，3DCF-DO//3DCF-DO超等电容器的充电时间仅需0.65 s，电容保持率为最大比容量的77.4%；经轮回10000次后，该对称超等电容器的容量没有衰减。

图3. 三维碳质料作为水系超等电容器电极质料的电化学机能研究：(a, b) 3DCF质料的恒电流充放电曲线。(c) 3DCF碳质料的倍率机能。(d) 3DCF质料的IR降与电流密度的对应干系。(e) 3DCF质料的Nyquist图与Bode相图。(f) 3DCF质料的轮回机能。IV 三维碳质料作为离子液体系超等电容器电极质料的电化学机能研究