兰州大学Songbo Chen和拜永孝课题组--用于高性能对称锂离子电容器的具有快速离子/电子通道的石墨烯的简便合成
通过电池型阳极和电容器型阴极，锂离子电容器(LIC)有望表现出高能量和高功率密度，但存在电极反应动力学和容量不匹配的问题。在此，为了减轻两个电极之间的不匹配并协同提高能量/功率密度，我们设计了一种微波辐射降低的方法来制备具有快速离子/电子通道的石墨烯基电极材料（MRPG/CNT）。CNT嵌入石墨烯的三维结构抑制了石墨烯片的重新堆叠并提高了电极材料的导电性，从而产生了快速的离子和电子扩散通道。由于其特殊性质，MRPG/CNT材料可同时用作LIC的阳极和阴极。作为阳极，MRPG/CNT显示出1200 mAh g-1 的高容量以及高倍率性能。作为正极，MRPG/CNT显示出108 mAh g-1的高容量和8000次循环后的 100% 容量保持率。将预锂化的MRPG/CNT阳极与MRPG/CNT阴极耦合，可得到基于全石墨烯的对称 LIC，在226.0W kg-1和111.2Wh kg-1的超高功率密度下达到 232.6 Wh kg-1的高能量密度45.2 kW kg-1，5000次循环后容量保持率高达86%。该电极的结构设计为缓解LIC电极的失配和构建高性能对称LIC提供了新策略。
图 1. MRPG/CNT 合成过程示意图。
图 2. (a-d) 样品制备过程中的数码照片：(a) 滤饼；(b) 装有滤饼碎片的坩埚； (c) 微波辐射反应后的样品； (d) 收集的样本。 (e-h) MRPG的TEM和HRTEM图像。 (i-l) MRPG/CNT 的TEM和HRTEM图像。 (m, n) MRPG的SEM图像。 (o, p) MRPG/CNT的SEM图像。
图 3.(a) MRPG的O 1s XPS光谱。 (b) MRPG/CNT的O 1s XPS光谱。 (c) MRPG和 MRPG/CNT的拉曼光谱。 (d) MRPG和MRPG/CNT的XRD图谱。 (e) MRPG和 MRPG/CNT的N2吸附-解吸等温线。 (f) MRPG和MRPG/CNT的孔径分布曲线。
图 4. MRPG 和 MRPG/CNT 材料的阳极电化学性能：(a) MRPG 和MRPG/CNT的倍率性能。 (b) MRPG/CNT的前三、十次充放电曲线。 (c) MRPG/CNT在不同电流密度下的充放电曲线。 (d) MRPG和MRPG/CNT 的奈奎斯特阻抗图。 (e) MRPG/CNT 在 2 A g-1 下的循环稳定性测试。
图 5. (a) MRPG/CNT 作为阳极在不同扫描速率下的CV曲线。 (b) 峰值电流和扫描速率之间的关系。(c) MRPG/CNT 作为阳极在 5 mV s-1扫描速率下的电容贡献。 (d)MRPG/CNT 作为阳极在不同扫描速率下的电容贡献。(e)单次滴定时施加的电流脉冲与电压曲线。 (f) MRPG/CNT的GITT曲线和从GITT曲线得出的Li+扩散率。
图 6. MRPG 和 MRPG/CNT 材料的阴极电化学性能：(a) MRPG和MRPG/CNT的倍率性能。(b) MRPG/CNT在不同扫描速率下的CV曲线。 (c) MRPG/CNT 在不同电流密度下的恒电流充放电曲线。(d) MRPG/CNT 在 5 A g-1 下的循环性能。 (e)循环测试前后 MRPG/CNT的Nyquist图。
图 7. MRPG/CNT 中离子通道和电子通道的示意图。
图 8. (a) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 的仿真图。(b) MRPG/CNT阳极和MRPG/CNT阴极在10 mV s-1时的CV曲线。(c) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC在不同扫描速率下的CV曲线。(d) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 在不同电流密度下的GCD曲线。(e) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC的充放电曲线，分别以10 A g-1充电和0.5、1和5 A g-1放电。 (f) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC的自放电曲线。 (g)奈奎斯特阻抗图。 (h)波特图。 (i) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC与先前报道的LIC的Ragone图。 (j) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 的循环性能。
相关科研成果由兰州大学Yongcheng Xiao和Jing Liu等人于2021发表在ACS Sensors（https://doi.org/10.1021/acsami.1c08598）上。原文：Facile Synthesis of Graphene with Fast Ion/Electron Channels for High-Performance Symmetric Lithium-Ion Capacitors。