北航《Carbon》：一种全激光方案制备铅石墨烯纳米复合电极，用于高性能超级电容器

成果简介

下一代储能设备对金属修饰碳电极的便捷和可扩展制造寄予厚望。受激光诱导石墨烯（LIG）的独特加工特性以及铅的电化学优势的启发，本文，北京航空航天大学 罗斯达教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Full laser irradiation processed Pb-graphene nanocomposite electrodes toward the manufacturing of high-performance supercapacitors”的论文，研究开发了一种全激光方案，通过两个独立的激光辐照过程来组装掺杂铅的 LIG（Pb-LIG）电极，即选择性辐照聚酰亚胺（PI）以形成石墨烯框架，以及选择性熔融-重结晶铅粉末。在实现可定制尺寸和形状的高效生产的同时，还系统地研究了铅用量和激光功率这两个关键参数，以了解工艺与结构之间的关系。

通过同时考虑这两个因素，发现了一种有趣的双态效应，只要每铅用量的激光能量在100 J mg−1 左右，就能达到 77.77 wt%的最佳铅含量。由于发生了明显的氧化还原法拉第反应，集成的铅含量确实是提高电容性能的基础，实现了面积电容从 25mF cm-2 到 128mF cm-2 的六倍提升。最后，多个Pb-LIG超级电容器可方便地串联或并联，以提高其在储能应用中的性能。

图文导读

图 1：（a）基于 Pb-LIG 电极的 TES（1）和 MSC（2）的制造过程；（b）大尺寸 LIG 的光学图像，（c）可缩放尺寸的间距 LIG 电极，（d）矩形 Pb-LIG 电极阵列和（e）间距形 Pb-LIG/LIG 电极阵列；（f）原始 LIG 和（g）Pb-LIG 的扫描电镜图像；（h）Pb-LIG 的 TEM 表征。(该图的彩色版可在线查看）。

图2。不同Pb剂量的Pb-LIG表面的SEM图像

图3：（a）EDS 测定的不同铅用量 Pb-LIG 的铅含量；（b）不同铅用量 Pb-LIG 的拉曼峰强度比；（c）XPS 测定的不同铅用量 Pb-LIG 的铅含量

图4. 用不同激光功率（a) 0.75 W、(b) 1.00 W、(c) 1.25 W、(d) 1.50 W、(e) 1.75 W 至 (f) 2.00 W）加工的铅铅玻璃表面的扫描电镜图像；(g) 用不同激光功率加工的铅铅玻璃的 EDS 测定铅含量；(h) 铅含量与新变量 F 的函数关系汇总

图5. (a) 不同铅用量下基于 Pb-LIG 的 TES 的 CV 曲线；(b) 与铅用量相关的等电容和铅含量；(c) 不同铅用量下基于 Pb-LIG 的 TES 的 GCD 曲线；(d) 不同激光功率下基于 Pb-LIG 的 TES 的 CV 曲线；(e) 与激光功率有关的等效电容和铅含量；(f) 采用不同激光功率加工的基于铅-铅IG 的 TES 的 GCD 曲线；(g) 等效电容和(h) 比容量与铅含量的函数关系汇总；(i) 长期循环测试

图6. (a) 对称双 Pb-LIG 和非对称 LIG/Pb-LIG 电极的 MSCs 的 CV 曲线；(b) 不同铅用量的双 Pb-LIG MSCs 的 CV 曲线；(c) 双 Pb-LIG MSCs 的等效电容与 CV 扫描速率的关系；(d) 不同铅用量的双 Pb-LIG MSCs 的 GCD 曲线；(e) Pb-LIG TES 和 Pb-LIG MSC 的等效电容与铅含量的函数关系；(f) 相关 LIG 作品的比能量和比功率比较；(g) 不同弯曲角度下Pb-LIG MSC 的 CV 曲线；(h) 串联和(i) 并联的多个 Pb-LIG MSC 的 CV 和 GCD 曲线

小结

通过全激光辐照工艺，制备了Pb-LIG复合材料，用于超级电容器电极以提高电容性能。得益于选择性两步激光辐照，铅颗粒可以深度参与到 LIG 中，从而制备出具有高效、可扩展和可定制形状等优点的铅-LIG 电极。在制造过程中，铅剂量和激光功率对铅含量起着至关重要的作用，而铅含量与电容和容量性能呈正相关。为了优化这两个制造变量，研究人员提出了结合两个变量的激光能量F，以追求更高的铅含量。值得注意的是，在F和铅含量之间发现了双态效应，在 100 J mg-1激光通量时铅含量最高。由于铅含量最高，Pb-LIG 可改善 TES 的电容和容量性能，分别高达 128 mF cm-2 和 0.027 mAh cm-2。此外，双 Pb-LIG MSCs 还能调谐出 14.92 mF cm-2 左右的良好电容，其能量密度和功率密度性能与其他基于 LIG 的超级电容器相当，甚至更好。总之，优化铅含量的制备方法为金属化合物修饰LIG的制备提供了一个简便、快速和经济高效的范例，尤其适用于强力储能电极的制备。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118583