超高功率超級電容器電極材料：多孔三維寡層類石墨烯

　　雙電層超級電容器（EDLC）具有功率密度高、循環壽命長、安全性好等優點，在消費電子產品、電動汽車、國防科技和航空等領域具有廣泛的應用，相關研究成為當前的前沿熱點。理想的EDLC電極材料應同時具備：1）高比表面積以確保足夠的電荷存儲空間；2）均衡分布的孔結構以利于電解液離子的快速輸運，提升比電容和倍率性能；3）高的導電性以確保高功率；4）優異的浸潤性以促進離子擴散，增加有效表面積。石墨烯因導電性好、理論比電容高，是一種很有前途的EDLC電極材料，但石墨烯片層容易發生π-π堆垛，會顯著降低其比表面積，影響電解液的快速傳輸，難以充分發揮其儲能潛力，一般需要采取較復雜的工藝技術以克服這些不足。

　　來自南京大學的胡征教授課題組近年來發展了利用原位生成的氧化鎂模板制備碳基納米籠的新方法，開發出比表面積大、微孔—介孔—大孔共存、導電性優良、浸潤性可調、具有分級結構的碳基納米籠新材料，并表現出優異的EDLC性能。最近，他們注意到在金屬基底上沉積的碳材料通常要比氧化物基底上沉積的碳材料具有更好的導電性，因此將原位氧化鎂模板法拓展為原位多孔納米銅模板法，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為固態碳源，方便地制得了一種新型多孔三維寡層類石墨烯碳材料（3DG），具有微孔—介孔—大孔相互連通的開放性分級孔結構，與此同時還具有比表面積大（>1500 m² g^?1）、導電性高（>800 S m^?1）、在水系和離子液體中均有良好浸潤性等特點。這種3DG材料在水系和離子液中均表現出優異的超級電容器性能，功率密度分別高達1066.2和740.8 kW?kg?1，其能量密度和循環穩定性均處于先進水平，展示了在超高功率密度和能量密度存儲領域的廣闊應用前景（圖1）。

圖1. 制備不同階段產物的SEM照片以及離子液體作電解液時3DG的Ragone圖

　　更有意義的是，作者通過系統考察EDLC的等效串聯電阻隨電流密度的變化規律，從一個新的視角深入理解了EDLC材料結構與性能的關系，與經典電化學交流阻抗譜的研究結果相互印證、互為補充，為深入理解電化學能量存儲材料的構效關系提供了新的思路。這一最新成果最近發表于Advanced Materials，文章的第一作者是南京大學博士生趙進。該項研究得到了國家自然科學基金、科技部納米重大研究計劃項目的聯合資助。