我國科學家研製超高儲能密度超級電容器

2020-11-12 中國科學院科技產業網

近期，中科院合肥研究院固體所王振洋研究員課題組實現了宏觀厚度石墨烯晶體膜大面積製備，在超高儲能密度超級電容器研製方面取得新進展。

科研人員採用雷射誘導加工法，將聚醯亞胺前驅體直接原位轉化為石墨烯晶體膜；針對其直接用作儲能電極時所面臨的體積效應技術瓶頸，通過優化前驅體的分子構型和熱敏感性，大幅增加了雷射與聚合物薄膜的作用深度，進而實現了多孔石墨烯晶體膜的宏觀厚度製備；以此作為電極構築的超級電容器，在儲能密度和循環穩定性方面得到顯著的提升。

圖1. 聚醯亞胺的熱敏性調控及宏觀厚度石墨烯晶體膜的雷射誘導生長。

相關結果以「Ultra-thick 3D graphene frameworks with hierarchical pores for high-performance flexible micro-supercapacitors」為題發表在Journal of Power Sources上。

石墨烯具有比表面積大、導電性好、穩定性高等一系列優點，近年來被廣泛研究用作超級電容儲能器件的電極材料。石墨烯電極在微觀尺寸下所具有的優異電化學性能已經被廣泛的研究和證實。但石墨烯超級電容器的規模化應用需要在保持其優異電化學性能的前提下，實現宏觀尺度（大面積和超高厚度）上的電極製備與組裝。

圖2. 宏觀厚度石墨烯晶體膜的結構表徵。

然而，在宏觀厚度的石墨烯電極中，離子擴散通常受到限制，石墨烯片層的堆疊也會引起較大的內阻，導致電化學性能降低。因此，如何設計製備出兼具宏觀厚度和豐富孔隙結構的電極材料是石墨烯超級電容器產業化應用所亟需解決的關鍵難題。

為此，科研人員採用過快速高效、過程簡單、環境友好、可同步圖案化的高能雷射誘導法，在聚醯亞胺基底上進行三維多孔石墨烯晶體膜的原位製備。為了調控雷射與聚醯亞胺前驅體的相互作用，科研人員通過控制原料化學計量比和醯亞胺化反應溫度來調控產物聚醯亞胺的醯亞胺化程度和分子構型，從而改變其熱敏感性。

圖3. 石墨烯/聚吡咯複合材料的超級電容性能。

最終，在聚醯亞胺膜上原位生長出厚度高達320 μm的分級多孔結構石墨烯晶體膜，其面積和體積比電容高達172.2 mF/cm2 和4.13 mF/cm3，展現出巨大應用潛能。進一步原位電沉積贗電容材料聚吡咯，可以製得石墨烯/聚吡咯複合電極，其面積比電容高達2412.2 mF/cm2。

研究發現，以該複合電極材料作為電極製造的平面叉指形柔性全固微型態超級電容器，可獲得高達134.4 μWh/cm2和325.2 μW/cm2的能量密度和功率密度，且同時兼具優異的倍率性能、循環穩定性和機械柔韌性。

上述工作得到了國家自然科學基金委大科學裝置聯合基金項目和青年基金項目等多個項目的資助。

來源：合肥研究院

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