近日，中國科學(xué)院電工研究所馬衍偉團隊聯(lián)合大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)?，在高性能石墨烯?fù)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(guān)研究成果以2D Graphene/MnO Heterostructure with Strongly Stable Interface Enabling High-Performance Flexible Solid-state Lithium-Ion Capacitors為題，發(fā)表在《先進功能材料》上。
鋰離子電容器作為一種有效結(jié)合鋰離子電池與超級電容器的新型電化學(xué)儲能器件，具有高功率密度、高能量密度以及長循環(huán)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(guān)鍵因素。
精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計工程被認(rèn)為是提高電極材料電化學(xué)性能的有效方式之一。研究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(jié)構(gòu)的MnO復(fù)合納米材料（rGO/MnO）。研究通過深入的原位實驗表征以及理論計算，證實了rGO/MnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有較強的界面作用和良好的儲鋰動力學(xué)。由于rGO/MnO復(fù)合納米材料具有高電荷轉(zhuǎn)移速率、豐富的反應(yīng)位點以及穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，基于rGO/MnO復(fù)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(yōu)異的倍率性能（10 A/g下比容量為211 mAh/g）以及長循環(huán)穩(wěn)定性。因此，rGO/MnO復(fù)合納米材料可作為高性能鋰離子電容器理想的負(fù)極材料。
通過將這種高性能石墨烯基復(fù)合材料作為負(fù)極與活性炭正極進行組裝，研究制備出柔性固態(tài)鋰離子電容器（AC//rGO/MnO）。經(jīng)測試，這一電容器基于電極活性材料總質(zhì)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(tài)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(huán)后，AC//rGO/MnO電容器的容量保持率可達77.8%，且安全性能高。
該研究提出的金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料設(shè)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(yīng)用前景。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院大連潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、中科院青年促進會等的支持。
石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖和鋰離子電容器原理性能圖
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（來源：電工研究所）