【原】用于高性能超級電容器的自支撐氟摻雜硼碳氮多孔氣凝膠 | 山東大學(xué)《Energy Techno》

DT_Carbontech 2021-11-14

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碳材料長期以來被廣泛用于超級電容器。碳基超級電容器的實際應(yīng)用受到其較低的電荷存儲容量的嚴(yán)重限制。合理構(gòu)建雜原子摻雜和高比表面積的碳材料可以有效提高超級電容器的性能。據(jù)此，山東大學(xué)Shengfu Liu（第一作者）吳擁中/郝霄鵬教授（通訊作者）等研究人員設(shè)計了一種用于超級電容器應(yīng)用的自支撐氟摻雜碳氮化硼（F-BCN）氣凝膠材料。

近年來，電動汽車和消費類電子產(chǎn)品的快速發(fā)展帶來了一些問題，如高油耗和嚴(yán)重的環(huán)境污染。為了解決這些問題，人們開發(fā)了相關(guān)的儲能裝置。兩種新興的儲能設(shè)備(超級電容器和可充電電池)顯示出巨大的潛力，其中超級電容器與電池相比具有功率密度高、循環(huán)穩(wěn)定性好、工作溫度靈活等優(yōu)點。根據(jù)儲能機制的不同，超級電容器可分為電化學(xué)雙層電容器 (EDLC) 和贗電容器。EDLCs使用最廣泛的電極材料是活性炭、碳納米管和石墨烯等碳材料。

其中，石墨烯基材料具有較高的導(dǎo)電性、較大的比表面積、良好的電化學(xué)和機械穩(wěn)定性，被認(rèn)為是有前途的候選材料。然而，由于石墨烯納米片層之間的范德華力和π-π相互作用，通常會發(fā)生聚集和堆積，導(dǎo)致比表面積減小，比電容降低。為了減少石墨烯納米片的團(tuán)聚，石墨烯氣凝膠（GA，3D石墨烯）因其不使用任何導(dǎo)電劑和粘合劑而具有高度互聯(lián)的多孔框架，內(nèi)阻小，從而離子擴(kuò)散速率高而備受關(guān)注。相比之下，將雜原子引入石墨烯網(wǎng)絡(luò)是進(jìn)一步提高超級電容器能量密度的有效策略，可以提高電極的電導(dǎo)率，從而通過快速的表面氧化還原反應(yīng)提供額外的電容，保持高循環(huán)穩(wěn)定性。因此，B和N共同引入的硼碳氮（BCN）材料得到了廣泛研究和制備。作為一種新興的2D材料，由于雜原子的協(xié)同作用，促進(jìn)了與相鄰C原子的電荷轉(zhuǎn)移，BCN具有比單摻雜石墨烯材料顯著增強的電化學(xué)性能，從而具有更好的電容性能。

目前，制約BCN材料發(fā)展的主要因素是使用粉末材料制備電極，不僅會增加接觸電阻，而且電活性物質(zhì)容易從導(dǎo)電襯底的表面脫落，這將最終導(dǎo)致比容量和循環(huán)穩(wěn)定性的降低?；陔p電層貢獻(xiàn)的BCN材料的比容量有待進(jìn)一步提高。由于氟官能團(tuán)的疏水性質(zhì)，現(xiàn)階段對摻雜氟的超級電容器材料的研究還不夠。然而，在石墨烯電極材料中摻雜F可以促進(jìn)相鄰碳原子之間的電荷重新分配，從而獲得較高的電負(fù)性，有效提高石墨烯的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性。

近日，山東大學(xué)Shengfu Liu（第一作者）吳擁中/郝霄鵬教授（通訊作者）等研究人員提出了一種以GA為碳基、NH₄BF₄為摻雜劑合成多孔氟摻雜硼碳氮(F-BCN)氣凝膠的設(shè)計新概念。

雜原子的引入增加了碳骨架的缺陷密度，擴(kuò)大了層間間距，產(chǎn)生了豐富的電化學(xué)活性位點，從而促進(jìn)了離子在電極中的擴(kuò)散。F-BCN-3的比電容為524.9 F g^?1，當(dāng)電流密度為1 a g^?1時，組裝后對稱超級電容器的最大能量密度為11.75 W h kg^?1。對稱超級電容器在5000次充放電循環(huán)后仍能保持83%的比電容，表現(xiàn)出良好的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。該設(shè)計概念為碳材料在儲能裝置中的進(jìn)一步應(yīng)用開辟了有效途徑。

相關(guān)研究成果以“elf-Supported Fluorine-Doped Boron Carbonitride Porous Aerogels for High-Performance Supercapacitors”為題，發(fā)表在Energy Technology 上。

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