超級電容器作為一種高效的儲能器件，因其優(yōu)越的功率密度、快速的充放電速率、長周期壽命和寬的工作溫度范圍，在過去幾十年中引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。然而，碳基超級電容器有兩個重要的局限性: 1)簡單地使用純碳材料會限制其能量密度; 2)活性材料的負(fù)載量增加/或電極變厚時，電容性能會變差。此外，粉末態(tài)電極材料的制備需要很多工序，特別是碳材料的刻蝕、純化、模板去除等，這大大增加了大規(guī)模生產(chǎn)電極的成本。目前，同時實現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能和較厚的電極以及高的活性材料負(fù)載量是一個急需解決的問題。此外，導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑不僅增加了電極材料的裝載量，而且嚴(yán)重影響電極材料的微納孔結(jié)構(gòu)，不利于構(gòu)建高能量密度的儲能器件。因此，提出一種創(chuàng)新的材料設(shè)計滿足在高質(zhì)量負(fù)載活性材料的厚電極上實現(xiàn)優(yōu)越的電化學(xué)性能是尤為重要的。要實現(xiàn)高性能的厚電極，本質(zhì)上需要低彎曲度和優(yōu)良孔隙結(jié)構(gòu)的大塊材料。木材是一種富含纖維素且具有層次結(jié)構(gòu)、孔道垂直排列的天然材料，是用于超級電容器厚電極的良好候選材料。
圖1. 脫木質(zhì)素、植酸處理(Wood@PA)、碳化和鹽酸洗滌制備摻雜磷的CW-P-X厚電極工藝
南京林業(yè)大學(xué)蔣少華教授團(tuán)隊以植酸處理過的多孔木材為碳源，首次實現(xiàn)了高摻雜P (9.24 at%)的多孔分層碳木(CW)結(jié)構(gòu)。植酸的6個帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)提供了豐富的交聯(lián)位點(diǎn)，允許P在碳上大量摻雜，從而使實現(xiàn)優(yōu)越的電容性能。此外，具有宏觀、介觀和微孔的分層結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)離子和電子的傳輸，即使在800 μm厚電極的高質(zhì)量負(fù)載下也能實現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。該策略實現(xiàn)高磷摻雜的木基碳厚電極，具有豐富的分級多孔結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展到其他材料和各種功能化應(yīng)用。相關(guān)研究工作近期以“Phosphorus-doped thick carbon electrode for high-energy density and long-life supercapacitors”為題，發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》（doi.org/10.1016/j.cej.2021.128767）雜志上。論文第一作者為南京林業(yè)大學(xué)博士生王峰，共同一作為韓國高等科學(xué)技術(shù)學(xué)院(KAIST) Jun Young Cheong博士，武漢理工大學(xué)博士生何秋，通訊作者為南京林業(yè)大學(xué)蔣少華教授，共同通訊作者分別為南京林業(yè)大學(xué)段改改副教授，武漢理工大學(xué)趙炎教授和韓國先進(jìn)技術(shù)研究院(KAIST) Il-Doo Kim教授。
圖2. (a)面積能量密度和功率密度和(b)不同碳基電極的SSC容量電容、能量密度和功率密度的對比。(c)不同碳基P摻雜電極的比電容、P摻雜量和質(zhì)量負(fù)載的對比。
此外，電極厚度對儲能器件電化學(xué)性能的影響也是尤為重要的，成為近年來科研工作者的研究熱點(diǎn)。受前期工作的啟發(fā)，該團(tuán)隊探究了不同厚度的木質(zhì)基電極與超級電容性能的構(gòu)效關(guān)系。結(jié)果表明:當(dāng)電極厚度為1.532 mm時，木質(zhì)基厚電極具有最佳的電容性能，包括高面積/體積容量、高能量密度和優(yōu)異的循環(huán)性能。這種優(yōu)異的超級電容器性能與合適的厚度、高負(fù)載活性材料、低彎曲度和木材衍生厚電極的層次性多孔結(jié)構(gòu)的離子快速轉(zhuǎn)移相匹配。這一工作可進(jìn)一步推廣到其他大面積厚電極的設(shè)計，以實現(xiàn)儲能器件的實際應(yīng)用。相關(guān)研究工作近期以“Electrode Thickness Design toward Bulk Energy Storage Devices with High Areal/Volumetric Energy Density”為題，發(fā)表在《Applied Energy》（doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116734）雜志上。論文第一作者為南京林業(yè)大學(xué)博士生王峰，通訊作者為南京林業(yè)大學(xué)蔣少華教授，共同通訊作者分別為美國麻省理工學(xué)院張麟研究員和南京林業(yè)大學(xué)段改改副教授。
圖3. (a) 組裝SSC的面積和Ragone圖(能量密度、功率密度)。(b)不同碳基厚電極體積能量和功率密度的比較;(c)不同儲能器件與SSC的Ragone圖的比較。(d)碳基厚電極的體積電容和體積能量密度比較。插圖(a)顯示一個LED (1.8 V, 1.0 W)被兩個均勻的SSC串聯(lián)點(diǎn)亮。
近年來，該團(tuán)隊在生物質(zhì)碳源制備高性能的超級電容器電極材料方面取得了多項成果，相關(guān)工作分別發(fā)表在《Chinese Chemical Letters》（doi.org/10.1016/j.cclet.2020.02.020，《Diamond and Related Materials》（doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108316），《ChemNanomat》（doi.org/10.1002/cnma.202000531），《Frontiers in Chemistry》（doi: 10.3389/fchem.2020.00089）等雜志上，并撰寫發(fā)表了題為“Recent progress in carbon-based materials for supercapacitor electrodes: a review”（doi.org/10.1007/s10853-020-05157-6）“”“Recent Progress on Nanocellulose Aerogels: Preparation, Modification, Composite Fabrication, Applications”（doi.org/10.1002/adma.202005569, 2005569）的綜述。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128767
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116734
