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Small Methods:從生物質到三維激光轉化石墨烯:一種超高功率超級電容器電極制備技術

超級電容器是近年來快速發展的一種儲能器件。超級電容器的能量密度和功率密度填充了可充電電池和鋁電解電容器之間的空白。但是其功率密度距離鋁電解電容器之間仍然有很大的差距。高功率電容器是電容器發展中的一個重要研究方向。高功率超級電容器在可再生能源并網和電子電路的調頻中有巨大的應用潛力。石墨烯電極,由于具有較高的電導率和短的離子傳輸路徑,是高功率電容器潛在的重要電極材料。但是石墨烯的制備過程複雜,産量低,因而他們的應用受到限制。生物質具有來源廣、産量高和可再生性好等特點。通過水熱碳化生物質(例如,纖維素、木質素、澱粉以及葡萄糖等)可以獲得無定形的水熱炭。但是水熱炭的孔結構不夠發達,同時其電導率極低,因而其超級電容器應用受到限制。

Small Methods:從生物質到三維激光轉化石墨烯:一種超高功率超級電容器電極制備技術

近期,沙特阿拉伯阿蔔杜拉國王科技大學的Husam N. Alshareef教授及其團隊采用CO2激光一步轉化水熱炭球為三維石墨烯(LSG)電極。CO2激光轉化實現了水熱炭從sp3碳到sp2炭之間的轉化。LSG的骨架内部是亂層的多層石墨烯結構。通過CO2激光轉化水熱炭,LSG獲得了三維開放的大孔結構,較高的比表面積(87.8 m2 g-1)和較高的電導率(33.6 S cm-1)。更重要的是,這種CO2激光直接轉化的方法是一種石墨烯電極的直接制備技術,在激光轉化過程中,可以實現石墨烯和金屬集流體的直接組裝。LSG電極組裝的對稱超級電容器具有超高的功率特性:在1-2 V的電壓區間,LSG的功率密度為28 W cm-3,是商業活性炭超級電容器的28倍。與此同時,LSG電極表現出很高的頻率響應(120 Hz的RC時間常數為0.517 ms)和很長的循環壽命(1萬次循環容量保持率>98%)。

本研究提供了一種生物質直接轉化為高功率石墨烯電極的方法。同時,這種方法避免了從活性物質到電極之間的塗覆過程,可以直接用于現有的有機電解液超級電容器體系,因而,是一種很有潛力商業化的電容器電極制備方法。相關論文在線發表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900005) 上,論文的第一作者為張文禮博士。

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