Adv. Energy Mater.：B, N双掺杂3D多孔碳纳米纤维材料助力锂离子电容器-同时实现高能量密度、高功率密度

【引言】

随着便携式电子设备、电动汽车等的快速发展，人们对高能量密度、高功率密度以及长寿命储能器件的需求也在日益上升。在目前的储能体系中，锂离子电池（LIBs）和超级电容器（SCs）由于其在日常生活中广泛的应用，受到了越来越高的关注。LiBs虽然能够较高的能量密度（150~200 Wh/kg），但功率密度较低且循环稳定性较差，使用寿命较为有限。然而，SCs则具备较高的功率密度（2~5 kW/kg）和较长的使用寿命（>1×10⁵ 次循环），但能量密度较低。因此，如何通过将二者的优点结合起来，实现储能器件的高能量密度、高功率密度以及长寿命，在能量存储领域依然有待解决。

【成果简介】

近日，南京理工大学夏晖教授联合中国科学技术大学余彦教授在Adv. Energy Mater.上发表了一篇题为“High Energy and High Power Lithium-Ion Capacitors Based on Boron and Nitrogen Dual-Doped 3D Carbon Nanofibers as Both Cathode and Anode”的文章。在该项工作中，研究人员以商业细菌纤维素（BC）膜为初始材料，开发了一种简易可控的硼（B）、氮（N）双掺杂三维多孔碳纳米纤维网络结构（BNC）合成技术。B, N双掺杂不仅增大了碳纳米纤维的表面积和碳层间距，而且还增加了活性位点数目，改善了碳纳米纤维的电极动力学。在作为SCs阴极时，BNC电极具备大比电容和理想的双层电容性能；在作为LIBs负极时，BNC电极同样具备较大的比容量和优异的倍率性能，且循环稳定性能良好。在本文中，研究人员首次将BNC成功用于高性能BNC//BNC 锂离子电容器（LIC），其性能远远优于先前报道的其他LICs。测试数据显示，在功率密度为225 W/kg时，这种对称“双碳”LICs具备的220 Wh/kg的高能量密度；在能量密度为104 Wh/kg时，该LICs功率密度可达22500 W/kg。该BNC/BNC LICs优异的能量密度和功率密度表明，采用多孔碳修饰和对称电池结构有望开发高性能LICs，同时也为高性能LICs的研发提供了一种思路。

【图文导读】

图一  BNC的合成工艺及形貌表征

(a) BNC的合成工艺示意图；

(b) 0.1-BNC的FESEM图像；

(c-e) 不同B,N掺杂浓度下，BNC样品的XRD图谱（c）、拉曼光谱（d）和氮气等温吸附/脱附曲线（e）。

图二  0.1-BNC样品的HRTEM、STEM及XPS表征

(a-d) 0.1-BNC样品的TEM（a, b）、HRTEM（c）、STEM及对应的元素分布图像（d）；

(e-g) 0.1-BNC样品的高分辨C 1s（e）、B 1s（f）和N 1s（g） XPS谱。

图三  BNC正极的电化学测试

(a) 在扫描速率为10 mV/s下，0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC正极的CV曲线；

(b) 不同扫描速率下，0.1-BNC正极的CV曲线；

(c) 不同电流密度下，0.1-BNC正极的充放电曲线；

(d) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC正极的倍率性能图；

(e) 电流密度为2 A/g时，0.1-BNC正极的循环（5000次）-容量性能图。

图四  BNC负极的电化学测试

(a) 不同扫描速率下，0.1-BNC负极的CV曲线；

(b) 扫描速率为0.5 mV/s时，0.1-BNC负极的CV曲线，阴影部分表示表面电容所占比例。

(c) 不同电流密度下，0.1-BNC负极的充放电曲线；

(d) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC负极的倍率性能图；

(e) 电流密度为2 A/g时，0.1-BNC负极的5000次充发电循环-容量曲线图；

(f) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC电极的能奎斯特曲线。

图五  BNC//BNC LIC的电化学性能测试

(a) BNC//BNC LIC的电荷存储机制示意图；

(b) 不同扫描速率下，BNC//BNC LIC的CV曲线；

(c) 不同电流密度下，BNC//BNC LIC的充放电曲线；

(d) 电流密度为2 A/g时，BNC//BNC LIC在0.02~4.5 V间的循环性能曲线；

(e) BNC//BNC LIC的Ragone曲线，及与先前报道的LICs的对比，插图为LIC器件为10颗绿色LED面板供能的照片。

【小结】

本文中，研究人员通过一种简易可控的合成方法，成功构建了B, N双掺杂3D多孔探秘纳米纤维网络结构，该BNC在作为LICs无粘合剂电极时，具备优异的电化学性能。通过优化掺杂条件，制得的BNC在作为正负极时，同时表现出了比容量大、倍率性能优异和循环稳定性良好等优点。利用对称“双碳”构型，研究人员成功构建了 4.5 V的BNC//BNC LIC。在功率密度为225 W/kg时，该LICs具备220 Wh/kg的高能量密度；在能量密度为104 Wh/kg时，该LICs功率密度可达22500 W/kg；且该LICs具备相对较长的使用寿命，经过5000次循环后电容保持率为81%。这种在3D碳材料中同时掺杂不同原子的理念为高性能电极的设计提供了新思路，有助于提升杂化SC的能量和功率密度。

文献链接：High Energy and High Power Lithium-Ion Capacitors Basedon Boron and Nitrogen Dual-Doped 3D Carbon Nanofibers as Both Cathode and Anode(Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701336)

本文由材料人新能源前线 深海万里 供稿，材料牛编辑整理。

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