成果简介
对于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，为了缓解两个电极之间的失配并协同提高能量/功率密度。本文，兰州大学Yongcheng Xiao等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Facile Synthesis of Graphene with Fast Ion/Electron Channels for High-Performance Symmetric Lithium-Ion Capacitors”的论文，研究通过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。
由于其特殊的性质，MRPG/CNT材料可以同时用作LICs的阳极和阴极电极。作为阳极，MRPG/CNT显示出1200 mAh g–1的高容量和高倍率性能。作为阴极，MRPG/CNT显示出108 mAh g–1的高容量，8000次循环后容量保持率为100%。将预锂化MRPG/CNT阳极与MRPG/CNT阴极耦合，得到全石墨烯基对称LIC，其在226.0 W kg–1下达到232.6 Wh kg–1的高能量密度，在45.2 kW kg–1的超高功率密度下达到111.2 Wh kg–1，并且在5000次循环后具有86%的优异容量保持率。该电极的结构设计为减小LIC电极的失配和构建高性能对称LIC提供了新的策略。
图文导读
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：(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O1s 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N 2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
图5. MRPG 和 MRPG/CNT 材料的阴极电化学性能
图6. 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。(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。
小结
综上所述，一种简便且可扩展的合成方法制备高性能石墨烯基电极材料。MRPG/CNT的电导网络有效地提高了电导率，有利于提高MRPG/CNT的倍率性能和循环稳定性能。通过简便的微波照射构建导电网络和离子通道的策略在石墨烯基LICs领域具有广阔的应用前景。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.1c08598
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