南京林业大学蒋少华教授团队：基于木质基分级多孔结构厚电极在超级电容器的研究进展

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超级电容器作为一种高效的储能器件，因其优越的功率密度、快速的充放电速率、长周期寿命和宽的工作温度范围，在过去几十年中引起了学术界和工业界的极大关注。然而，碳基超级电容器有两个重要的局限性: 1)简单地使用纯碳材料会限制其能量密度; 2)活性材料的负载量增加/或电极变厚时，电容性能会变差。此外，粉末态电极材料的制备需要很多工序，特别是碳材料的刻蚀、纯化、模板去除等，这大大增加了大规模生产电极的成本。目前，同时实现优异的电化学性能和较厚的电极以及高的活性材料负载量是一个急需解决的问题。此外，导电剂和粘结剂不仅增加了电极材料的装载量，而且严重影响电极材料的微纳孔结构，不利于构建高能量密度的储能器件。因此，提出一种创新的材料设计满足在高质量负载活性材料的厚电极上实现优越的电化学性能是尤为重要的。要实现高性能的厚电极，本质上需要低弯曲度和优良孔隙结构的大块材料。木材是一种富含纤维素且具有层次结构、孔道垂直排列的天然材料，是用于超级电容器厚电极的良好候选材料。

图1. 脱木质素、植酸处理(Wood@PA)、碳化和盐酸洗涤制备掺杂磷的CW-P-X厚电极工艺

南京林业大学蒋少华教授团队以植酸处理过的多孔木材为碳源，首次实现了高掺杂P (9.24 at%)的多孔分层碳木(CW)结构。植酸的6个带负电荷的磷酸基团提供了丰富的交联位点，允许P在碳上大量掺杂，从而使实现优越的电容性能。此外，具有宏观、介观和微孔的分层结构能够促进离子和电子的传输，即使在800 μm厚电极的高质量负载下也能实现优异的电化学性能。该策略实现高磷掺杂的木基碳厚电极，具有丰富的分级多孔结构，可扩展到其他材料和各种功能化应用。相关研究工作近期以“Phosphorus-doped thick carbon electrode for high-energy density and long-life supercapacitors”为题，发表在《Chemical Engineering Journal》（doi.org/10.1016/j.cej.2021.128767）杂志上。论文第一作者为南京林业大学博士生王峰，共同一作为韩国高等科学技术学院(KAIST) Jun Young Cheong博士，武汉理工大学博士生何秋，通讯作者为南京林业大学蒋少华教授，共同通讯作者分别为南京林业大学段改改副教授，武汉理工大学赵炎教授和韩国先进技术研究院(KAIST) Il-Doo Kim教授。

图2. (a)面积能量密度和功率密度和(b)不同碳基电极的SSC容量电容、能量密度和功率密度的对比。(c)不同碳基P掺杂电极的比电容、P掺杂量和质量负载的对比。

此外，电极厚度对储能器件电化学性能的影响也是尤为重要的，成为近年来科研工作者的研究热点。受前期工作的启发，该团队探究了不同厚度的木质基电极与超级电容性能的构效关系。结果表明:当电极厚度为1.532 mm时，木质基厚电极具有最佳的电容性能，包括高面积/体积容量、高能量密度和优异的循环性能。这种优异的超级电容器性能与合适的厚度、高负载活性材料、低弯曲度和木材衍生厚电极的层次性多孔结构的离子快速转移相匹配。这一工作可进一步推广到其他大面积厚电极的设计，以实现储能器件的实际应用。相关研究工作近期以“Electrode Thickness Design toward Bulk Energy Storage Devices with High Areal/Volumetric Energy Density”为题，发表在《Applied Energy》（doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116734）杂志上。论文第一作者为南京林业大学博士生王峰，通讯作者为南京林业大学蒋少华教授，共同通讯作者分别为美国麻省理工学院张麟研究员和南京林业大学段改改副教授。

图3. (a) 组装SSC的面积和Ragone图(能量密度、功率密度)。(b)不同碳基厚电极体积能量和功率密度的比较;(c)不同储能器件与SSC的Ragone图的比较。(d)碳基厚电极的体积电容和体积能量密度比较。插图(a)显示一个LED (1.8 V, 1.0 W)被两个均匀的SSC串联点亮。

近年来，该团队在生物质碳源制备高性能的超级电容器电极材料方面取得了多项成果，相关工作分别发表在《Chinese Chemical Letters》（doi.org/10.1016/j.cclet.2020.02.020，《Diamond and Related Materials》（doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108316），《ChemNanomat》（doi.org/10.1002/cnma.202000531），《Frontiers in Chemistry》（doi: 10.3389/fchem.2020.00089）等杂志上，并撰写发表了题为“Recent progress in carbon-based materials for supercapacitor electrodes: a review”（doi.org/10.1007/s10853-020-05157-6）“”“Recent Progress on Nanocellulose Aerogels: Preparation, Modification, Composite Fabrication, Applications”（doi.org/10.1002/adma.202005569, 2005569）的综述。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128767

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116734

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