通過電池型陽極和電容器型陰極，鋰離子電容器(LIC)有望表現(xiàn)出高能量和高功率密度，但存在電極反應(yīng)動力學(xué)和容量不匹配的問題。在此，為了減輕兩個電極之間的不匹配并協(xié)同提高能量/功率密度，我們設(shè)計了一種微波輻射降低的方法來制備具有快速離子/電子通道的石墨烯基電極材料（MRPG/CNT）。CNT嵌入石墨烯的三維結(jié)構(gòu)抑制了石墨烯片的重新堆疊并提高了電極材料的導(dǎo)電性，從而產(chǎn)生了快速的離子和電子擴(kuò)散通道。由于其特殊性質(zhì)，MRPG/CNT材料可同時用作LIC的陽極和陰極。作為陽極，MRPG/CNT顯示出1200 mAh g
-1 的高容量以及高倍率性能。作為正極，MRPG/CNT顯示出108 mAh g
-1的高容量和8000次循環(huán)后的 100% 容量保持率。將預(yù)鋰化的MRPG/CNT陽極與MRPG/CNT陰極耦合，可得到基于全石墨烯的對稱 LIC，在226.0W kg
-1和111.2Wh kg
-1的超高功率密度下達(dá)到 232.6 Wh kg
-1的高能量密度45.2 kW kg
-1，5000次循環(huán)后容量保持率高達(dá)86%。該電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計為緩解LIC電極的失配和構(gòu)建高性能對稱LIC提供了新策略。
圖 1. MRPG/CNT 合成過程示意圖。
圖 2. (a-d) 樣品制備過程中的數(shù)碼照片：(a) 濾餅； (b) 裝有濾餅碎片的坩堝； (c) 微波輻射反應(yīng)后的樣品； (d) 收集的樣本。 (e-h) MRPG的TEM和HRTEM圖像。 (i-l) MRPG/CNT 的TEM和HRTEM圖像。 (m, n) MRPG的SEM圖像。 (o, p) MRPG/CNT的SEM圖像。
圖 3.(a) MRPG的O 1s XPS光譜。 (b) MRPG/CNT的O 1s XPS光譜。 (c) MRPG和 MRPG/CNT的拉曼光譜。 (d) MRPG和MRPG/CNT的XRD圖譜。 (e) MRPG和 MRPG/CNT的N
2吸附-解吸等溫線。 (f) MRPG和MRPG/CNT的孔徑分布曲線。
圖 4. MRPG 和 MRPG/CNT 材料的陽極電化學(xué)性能：(a) MRPG 和MRPG/CNT的倍率性能。 (b) MRPG/CNT的前三、十次充放電曲線。 (c) MRPG/CNT在不同電流密度下的充放電曲線。 (d) MRPG和MRPG/CNT 的奈奎斯特阻抗圖。 (e) MRPG/CNT 在 2 A g
-1 下的循環(huán)穩(wěn)定性測試。
圖 5. (a) MRPG/CNT 作為陽極在不同掃描速率下的CV曲線。 (b) 峰值電流和掃描速率之間的關(guān)系。 (c) MRPG/CNT 作為陽極在 5 mV s
-1掃描速率下的電容貢獻(xiàn)。 (d)MRPG/CNT 作為陽極在不同掃描速率下的電容貢獻(xiàn)。 (e)單次滴定時施加的電流脈沖與電壓曲線。 (f) MRPG/CNT的GITT曲線和從GITT曲線得出的Li
+擴(kuò)散率。
圖 6. MRPG 和 MRPG/CNT 材料的陰極電化學(xué)性能：(a) MRPG和MRPG/CNT的倍率性能。 (b) MRPG/CNT在不同掃描速率下的CV曲線。 (c) MRPG/CNT 在不同電流密度下的恒電流充放電曲線。 (d) MRPG/CNT 在 5 A g
-1 下的循環(huán)性能。 (e)循環(huán)測試前后 MRPG/CNT的Nyquist圖。
圖 7. MRPG/CNT 中離子通道和電子通道的示意圖。
圖 8. (a) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 的仿真圖。 (b) MRPG/CNT陽極和MRPG/CNT陰極在10 mV s
-1時的CV曲線。 (c) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC在不同掃描速率下的CV曲線。 (d) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 在不同電流密度下的GCD曲線。 (e) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC的充放電曲線，分別以10 A g
-1充電和0.5、1和5 A g
-1放電。 (f) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC的自放電曲線。 (g)奈奎斯特阻抗圖。 (h)波特圖。 (i) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC與先前報道的LIC的Ragone圖。 (j) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 的循環(huán)性能。
相關(guān)科研成果由蘭州大學(xué)Yongcheng Xiao和Jing Liu等人于2021發(fā)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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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