中山大学刘晓庆和卢锡洪团队|锌离子混合超级电容器碳材料的研究进展及面临的挑战

【研究背景】

锌离子混合超级电容器（ZHSCs）是近年来出现的极具发展前景的储能器件，其综合了锌离子电池高能量和超级电容器高功率的优势。但是碳正极有限的离子吸附能力严重限制了ZHSCs能量密度。因此，如何在保持优异的功率特性和循环稳定的基础上，制备出高能量密度的新型碳正极成为发展高性能ZHSCs的关键问题之一。本文概述了近年来应用于ZHSCs的各种碳材料的研究进展及其改性策略，并指出了该领域目前面临的挑战和未来的发展方向。

【成果简介】

中山大学刘晓庆和卢锡洪老师团队系统分析总结了锌离子混合超级电容器中碳材料的研究进展及其改性策略，并对该领域面临的挑战和未来的发展前景进行了展望。

【内容概述】

首先，作者介绍了ZHSCs的组成和充放电机理，锌负极发生快速的Zn2+电镀/剥脱反应，碳正极发生离子的物理和化学吸附/脱附过程，电解液为溶解了锌盐的中性或弱酸性水溶液（少数为有机溶液）。然后重点概述了近年来应用于ZHSCs的各种碳正极材料的的合成、形貌和电化学性能等方面的研究进展，主要分为商业活性碳、碳纳米管、石墨烯和多孔碳。

文章对四类碳材料的优缺点进行了比较和讨论：1）商业活性碳由于其成熟的制造技术和低廉的成本已经实现了大规模生产，是目前最容易获得的碳材料。但由于原材料和生产工艺的不同，商业活性炭的比电容有很大的变化范围（从~100到~1000 F g-1不等）。只有经过筛选才能得到预期的电极材料；2）一维碳纳米管可组成互联网络来保证有效的电子传导，并且它特殊的中空管道结构可作为电解液缓冲槽来实现离子的快速输运，因此比较容易得到优异的功率特性和倍率性能。然而，碳纳米管相对较低的密度和比表面积限制了其体积电容的发展，并且难以通过传统的电极制备方法实现高载量；3）二维石墨烯具备大而开放的平面，为能量存储提供了大量的活性位点，但在充放电过程中容易发生团聚和自组装现象；4）多孔碳中的微孔、中孔和大孔在充放电中各有作用，只有合理的分级多孔结构才能最大程度地激发碳电极的电容。同时文章还总结了优化碳正极电化学性能的改性策略，主要包括调控形态、构建分级多孔结构、掺杂杂原子和引入含氧官能团。

本文重点介绍了各类碳正极材料应用于ZHSCs的研究进展、改性策略和发展方向，对于设计兼具高能量密度和高功率密度的新型混合电容器装置具有指导意义。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Recent progress and challenges of carbon materials for Zn‐ion hybrid supercapacitors

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.69

DOI:https://doi.org/10.1002/cey2.69

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