通過電池型陽極和電容器型陰極，鋰離子電容器(LIC)有望表現出高能量和高功率密度，但存在電極反應動力學和容量不匹配的問題。在此，為了減輕兩個電極之間的不匹配并協同提高能量/功率密度，我們設計了一種微波輻射降低的方法來制備具有快速離子/電子通道的石墨烯基電極材料（MRPG/CNT）。CNT嵌入石墨烯的三維結構抑制了石墨烯片的重新堆疊并提高了電極材料的導電性，從而產生了快速的離子和電子擴散通道。由于其特殊性質，MRPG/CNT材料可同時用作LIC的陽極和陰極。作為陽極，MRPG/CNT顯示出1200 mAh g
-1 的高容量以及高倍率性能。作為正極，MRPG/CNT顯示出108 mAh g
-1的高容量和8000次循環后的 100% 容量保持率。將預鋰化的MRPG/CNT陽極與MRPG/CNT陰極耦合，可得到基于全石墨烯的對稱 LIC，在226.0W kg
-1和111.2Wh kg
-1的超高功率密度下達到 232.6 Wh kg
-1的高能量密度45.2 kW kg
-1，5000次循環后容量保持率高達86%。該電極的結構設計為緩解LIC電極的失配和構建高性能對稱LIC提供了新策略。
圖 1. MRPG/CNT 合成過程示意圖。
圖 2. (a-d) 樣品制備過程中的數碼照片：(a) 濾餅； (b) 裝有濾餅碎片的坩堝； (c) 微波輻射反應后的樣品； (d) 收集的樣本。 (e-h) MRPG的TEM和HRTEM圖像。 (i-l) MRPG/CNT 的TEM和HRTEM圖像。 (m, n) MRPG的SEM圖像。 (o, p) MRPG/CNT的SEM圖像。
圖 3.(a) MRPG的O 1s XPS光譜。 (b) MRPG/CNT的O 1s XPS光譜。 (c) MRPG和 MRPG/CNT的拉曼光譜。 (d) MRPG和MRPG/CNT的XRD圖譜。 (e) MRPG和 MRPG/CNT的N
2吸附-解吸等溫線。 (f) MRPG和MRPG/CNT的孔徑分布曲線。
圖 4. MRPG 和 MRPG/CNT 材料的陽極電化學性能：(a) MRPG 和MRPG/CNT的倍率性能。 (b) MRPG/CNT的前三、十次充放電曲線。 (c) MRPG/CNT在不同電流密度下的充放電曲線。 (d) MRPG和MRPG/CNT 的奈奎斯特阻抗圖。 (e) MRPG/CNT 在 2 A g
-1 下的循環穩定性測試。
圖 5. (a) MRPG/CNT 作為陽極在不同掃描速率下的CV曲線。 (b) 峰值電流和掃描速率之間的關系。 (c) MRPG/CNT 作為陽極在 5 mV s
-1掃描速率下的電容貢獻。 (d)MRPG/CNT 作為陽極在不同掃描速率下的電容貢獻。 (e)單次滴定時施加的電流脈沖與電壓曲線。 (f) MRPG/CNT的GITT曲線和從GITT曲線得出的Li
+擴散率。
圖 6. MRPG 和 MRPG/CNT 材料的陰極電化學性能：(a) MRPG和MRPG/CNT的倍率性能。 (b) MRPG/CNT在不同掃描速率下的CV曲線。 (c) MRPG/CNT 在不同電流密度下的恒電流充放電曲線。 (d) MRPG/CNT 在 5 A g
-1 下的循環性能。 (e)循環測試前后 MRPG/CNT的Nyquist圖。
圖 7. MRPG/CNT 中離子通道和電子通道的示意圖。
圖 8. (a) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 的仿真圖。 (b) MRPG/CNT陽極和MRPG/CNT陰極在10 mV s
-1時的CV曲線。 (c) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC在不同掃描速率下的CV曲線。 (d) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 在不同電流密度下的GCD曲線。 (e) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC的充放電曲線，分別以10 A g
-1充電和0.5、1和5 A g
-1放電。 (f) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC的自放電曲線。 (g)奈奎斯特阻抗圖。 (h)波特圖。 (i) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC與先前報道的LIC的Ragone圖。 (j) MRPG/CNT//MRPG/CNT LIC 的循環性能。
相關科研成果由蘭州大學Yongcheng Xiao和Jing Liu等人于2021發表在ACS Sensors（https://doi.org/10.1021/acsami.1c08598）上。原文：Facile Synthesis of Graphene with Fast Ion/Electron Channels for High-Performance Symmetric Lithium-Ion Capacitors。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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