近期，中科院合肥研究院固體所王振洋研究員團隊在光熱增強型超級電容器研究方面取得進展。相關(guān)研究成果以“Enhancing Energy Storage Capacity of Graphene Supercapacitors via Solar Heating”為題，作為封面發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 10, 3382-3392(2022))期刊上。

  超級電容器等儲電器件在低溫環(huán)境下由于電解液離子擴散受阻，導(dǎo)致器件電化學(xué)性能急劇衰減。利用具有光熱性能的電極材料，通過太陽能光熱效應(yīng)實現(xiàn)器件溫度的快速上升，有望大幅提升超級電容器的低溫性能。然而，開發(fā)兼具優(yōu)異光熱性能和高儲電能力的電極材料依然是一個挑戰(zhàn)。

  鑒于此，研究人員采用激光誘導(dǎo)技術(shù)制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體膜，并通過脈沖電沉積技術(shù)將聚吡咯均勻復(fù)合到多孔石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，構(gòu)筑了石墨烯/聚吡咯復(fù)合電極，其具有高比容量，且能有效利用太陽光熱效應(yīng)實現(xiàn)電極溫度的快速上升。在此基礎(chǔ)上，進一步構(gòu)建了一種新型光熱增強型超級電容器，既能將電極材料充分暴露于太陽光下，又可以對固態(tài)電解質(zhì)進行有效保護。在-30 °C的低溫環(huán)境中，一個太陽光照射（1 kW m-2）下，超級電容器已嚴(yán)重衰減的電化學(xué)性能可以迅速提升至室溫水平。室溫（15℃）環(huán)境中，該器件在一個太陽光照射下表面溫度提升了45 °C。溫度提升后，優(yōu)化的電極孔隙結(jié)構(gòu)和增加的電解液離子擴散速率，使電容器的儲電能力提高了4.8倍（比電容和能量密度分別達到2755.2 mF cm-2和21.55 mWh cm-3）。此外，由于固態(tài)電解質(zhì)得到很好的保護，10000次充放電后電容器的電容保持率仍高達85.8 %。

  該工作相關(guān)成果已經(jīng)入選Journal of Materials Chemistry A期刊封面，為解決超級電容器低溫難題和開發(fā)高能量密度器件提供了新思路。

  上述工作得到了國家重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項、安徽省重點研發(fā)計劃等項目的支持。

  文章鏈接： https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/ta/d1ta09222g。

圖1.（a）光熱增強型超級電容器的制備過程；（b）太陽能光熱自加熱示意圖。

圖2. 石墨烯/聚吡咯復(fù)合電極材料的結(jié)構(gòu)表征。

圖3. (a) 光熱型超級電容器電極結(jié)構(gòu)截面示意圖；(b) 電極材料和器件的紫外-可見-近紅外透過率(T)、反射率(R)和吸收光譜(A)；(c) 不同光照強度下器件的升溫時間曲線；(d) 一個太陽光照下器件在升溫過程中的熱紅外圖像。

圖4.期刊底封面圖。