山科大，清华＆宾州州立Small封面：超轻柔性氮掺杂泡沫碳电极材料用于高性能超级电容器

第一作者：付民

通讯作者：吕瑞涛*，雷钰*, Mauricio Terrones*

单位：山东科技大学, 清华大学, 美国宾夕法尼亚州立大学

【背景介绍】

超级电容器由于具有优异的功率密度和较长的使用寿命，因此被认为是非常有潜力的储能器件。传统的刚性超级电容器在很多柔性可穿戴领域的应用受到极大的限制。因此轻质、柔性、高性能的电极材料具有广阔的发展前景。

【成果简介】

近日，来自山东科技大学的付民，清华大学的吕瑞涛与美国宾夕法尼亚州立大学的雷钰、Mauricio Terrones合作，以三聚氰胺海绵为原料，经过简单的热处理制备了具有三维开放大孔结构的氮掺杂碳管泡沫电极。三聚氰胺中的高含氮量实现了碳骨架的氮原子掺杂，赋予了电极材料更好的电化学活性。通过简单的离子吸附、气相扩散-沉积和热处理合成了铁酸镍/氮掺杂碳管泡沫复合电极材料。三维开放的大孔结构为铁酸镍的均匀负载提供了理想的平台。铁酸镍/氮掺杂碳管泡沫复合电极材料的表观密度只有0.0055 g cm⁻³，显示出轻质的特性。得益于碳骨架的开放大孔结构和铁酸镍与氮掺杂碳管泡沫之间的协同作用，所合成的复合电极材料表现出优异的电容性能（1 A g^-1时比电容达到715.4 F g^-1，10 A g^-1时比电容为508.3 F g^-1 ；1 A g^-1下经过5万次循环后比电容保持率达到90.9%）。另外，将所得材料直接用于柔性超级电容器的组装，无需导电添加剂和粘结剂。在0.5 mA cm^-2的电流密度下，面积比电容达到1397.4 mF cm^-2，8 mA cm^-2的电流密度下，面积比电容为1041.2 mF cm^-2。在1 mA cm^-2的电流密度和弯曲状态下，经过1万次循环后比电容保持率达到92.9%。 该电极材料集柔性、轻质和优异的电化学特性于一体，显示出潜在的应用前景。

研究成果以题为“Ultralight Flexible Electrodes of Nitrogen-Doped Carbon Macrotube Sponges for High-Performance Supercapacitors”发表在国际知名期刊Small上，并被选为2021年第一期的Front cover。

【图文导读】

图1 复合电极材料的合成示意图。

图2 NiFe2O4/N-CMT的结构表征。

（a, b）三聚氰胺的SEM

（c-f）NiFe2O4/N-CMT的SEM

（g-l）NiFe2O4/N-CMT的EDS

（m）NiFe2O4/N-CMT的XRD

（n）NiFe2O4/N-CMT的氮气吸附脱附曲线

图3 柔性储能器件的电化学性能。

（a）柔性器件示意图

（b）柔性器件及其点亮LED灯泡的数码照片

（c）柔性器件在不同弯曲状态下的CV

（d）柔性器件的GCD

（e）柔性器件的循环性能

【小结】

综上所述，作者以三聚氰胺泡沫为原料，制备了三维氮掺杂碳管泡沫电极材料，并通过简单的离子吸附、气相扩散-沉积和热处理合成了铁酸镍/氮掺杂碳管泡沫复合电极材料。所得的电极材料可直接用于柔性超级电容器的组装，取得了很好的储能效果。

【文章链接】

Ultralight Flexible Electrodes of Nitrogen-Doped Carbon Macrotube Sponges for High-Performance Supercapacitors

DOI: 10.1002/smll.202004827

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