近日，中國科學院電工研究所（以下簡稱電工所）研究員馬衍偉團隊聯合中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠帥在高性能石墨烯復合材料制備、石墨烯基鋰離子電容器研制方面取得進展。相關研究成果發表在《先進功能材料》上。
鋰離子電容器作為一種有效結合鋰離子電池與超級電容器的新型電化學儲能器件，具有高功率密度、高能量密度以及長循環壽命，有效彌補了鋰離子電池和超級電容器之間的性能差異。電極材料作為鋰離子電容器的重要組成部分，是影響鋰離子電容器性能的關鍵因素。
精細的結構設計工程被認為是提高電極材料電化學性能的有效方式之一。馬衍偉團隊提出了一種通用靜電自組裝策略，在還原氧化石墨烯上原位生長了具有卷心菜結構的MnO復合納米材料（rGO/MnO）。通過深入的原位實驗表征以及理論計算，證實了rGO/MnO異質結構具有較強的界面作用和良好的儲鋰動力學。由于rGO/MnO復合納米材料具有高電荷轉移速率、豐富的反應位點以及穩定的異質結構，基于rGO/MnO復合納米材料制備的電極具有高比容量（0.1 A/g電流密度下比容量為860 mAh/g）、優異的倍率性能（10 A/g下比容量為211 mAh/g）以及長循環穩定性。因此rGO/MnO復合納米材料可作為高性能鋰離子電容器理想的負極材料。
通過將這種高性能石墨烯基復合材料作為負極與活性炭正極進行組裝，馬衍偉團隊成功制備出柔性固態鋰離子電容器（AC//rGO/MnO）。經測試，這一電容器基于電極活性材料總質量的能量密度最高達到194 Wh/kg，功率密度最高可達40.7 kW/kg。這是迄今為止報道柔性固態鋰離子電容器能量密度和功率密度的最高值。此外，在10000次充放電循環后，AC//rGO/MnO電容器的容量保持率可達77.8%，并且安全性能高。
科研團隊表示，這一研究提出的金屬氧化物/石墨烯復合材料設計策略在高能量密度和高功率密度的柔性鋰離子電容器中具有很好的應用前景。
該研究工作得到國家自然科學基金、中科院大連潔凈能源研究院合作基金、中科院青年促進會等的支持。
研制的石墨烯復合材料結構示意圖和鋰離子電容器原理性能圖。電工所供圖
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