湖南大学陈小华教授团队在双电层电容器领域取得重要研究进展

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超级电容器是一种新型储能装置，它具有充电时间短、循环使用寿命长、温度耐受性好和绿色环保等特点而被广泛应用。超级电容器用作车辆的牵引能源可以用于电动汽车、替代传统的内燃机，如中车株机公司生产的超级电容有轨电车；用作大电流启动电源，启动效率和可靠性都比传统的电池高，如空客A380飞机上的安全门；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季），另外其超大功率特性使它可以作为激光武器的脉冲能源等。

目前，商用的超级电容器电极材料主要以活性碳为主，但是活性碳具有孔径分布范围小，石墨化程度低等缺点，不利于电解液渗透和电荷传输，难以满足超高功率电容器的需求。石墨烯和碳纳米管等新型碳材料虽然在双电层电容器应用中表现出一定的应用前景，但目前仍无法克服石墨烯易堆叠，碳纳米管易缠绕等缺点，使得它们的可利用表面积大大降低；而三维多孔石墨烯由于其制备复杂，造价昂贵等也限制了其大规模应用。利用聚合物催化石墨化的方法制备石墨化多孔碳虽然也有所报道，但通常由于聚合物的内部官能团以及孔道较少，使得催化剂离子难以吸附到内部，因此很难提高碳材料整体的石墨化程度。

近期，湖南大学材料科学与工程学院陈小华教授课题组的博士生刘正和硕士生曾瀛通设计合成了高度石墨化的层次孔结构碳微球。该多孔碳微球在大电流密度下具有杰出的电容性能，能够满足未来超级电容器的高功率、大能量密度需求。此工作的另一个突出贡献是首次用热力学原理阐述了氢氧化钾在热处理活化含铁氧化物聚合物时，钾蒸气辅助提高碳材料石墨化程度的机理，为同行制备高度石墨化的多孔碳材料提供了一个非常好的理论依据。该成果发表在国际电化学能源杂志《Journal of Power Sources》上，题为“Potassium vapor assisted preparation of highly graphitized hierarchical porous carbon for high rate performance supercapacitors”。

图1、 石墨化多孔碳微球的制备流程图

图2、 一步法和两步法制备的石墨化多孔碳微球的电镜照片及孔径分布情况

图3、 钾离子辅助石墨化机理图

图4、 材料的电化学性能图

刘正和曾瀛为该论文的共同第一作者。

文章链接http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775317308418。

该工作也是陈小华教授课题组今年在碳材料应用于超级电容器相关领域发表的第二篇文章，另一篇较早发表在碳材料权威期刊《Carbon》上。

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622317302178。

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