超級電容器作為一種高效的儲能器件，因其優越的功率密度、快速的充放電速率、長周期壽命和寬的工作溫度范圍，在過去幾十年中引起了學術界和工業界的極大關注。然而，碳基超級電容器有兩個重要的局限性: 1)簡單地使用純碳材料會限制其能量密度; 2)活性材料的負載量增加/或電極變厚時，電容性能會變差。此外，粉末態電極材料的制備需要很多工序，特別是碳材料的刻蝕、純化、模板去除等，這大大增加了大規模生產電極的成本。目前，同時實現優異的電化學性能和較厚的電極以及高的活性材料負載量是一個急需解決的問題。此外，導電劑和粘結劑不僅增加了電極材料的裝載量，而且嚴重影響電極材料的微納孔結構，不利于構建高能量密度的儲能器件。因此，提出一種創新的材料設計滿足在高質量負載活性材料的厚電極上實現優越的電化學性能是尤為重要的。要實現高性能的厚電極，本質上需要低彎曲度和優良孔隙結構的大塊材料。木材是一種富含纖維素且具有層次結構、孔道垂直排列的天然材料，是用于超級電容器厚電極的良好候選材料。
圖1. 脫木質素、植酸處理(Wood@PA)、碳化和鹽酸洗滌制備摻雜磷的CW-P-X厚電極工藝
南京林業大學蔣少華教授團隊以植酸處理過的多孔木材為碳源，首次實現了高摻雜P (9.24 at%)的多孔分層碳木(CW)結構。植酸的6個帶負電荷的磷酸基團提供了豐富的交聯位點，允許P在碳上大量摻雜，從而使實現優越的電容性能。此外，具有宏觀、介觀和微孔的分層結構能夠促進離子和電子的傳輸，即使在800 μm厚電極的高質量負載下也能實現優異的電化學性能。該策略實現高磷摻雜的木基碳厚電極，具有豐富的分級多孔結構，可擴展到其他材料和各種功能化應用。相關研究工作近期以“Phosphorus-doped thick carbon electrode for high-energy density and long-life supercapacitors”為題，發表在《Chemical Engineering Journal》（doi.org/10.1016/j.cej.2021.128767）雜志上。論文第一作者為南京林業大學博士生王峰，共同一作為韓國高等科學技術學院(KAIST) Jun Young Cheong博士，武漢理工大學博士生何秋，通訊作者為南京林業大學蔣少華教授，共同通訊作者分別為南京林業大學段改改副教授，武漢理工大學趙炎教授和韓國先進技術研究院(KAIST) Il-Doo Kim教授。
圖2. (a)面積能量密度和功率密度和(b)不同碳基電極的SSC容量電容、能量密度和功率密度的對比。(c)不同碳基P摻雜電極的比電容、P摻雜量和質量負載的對比。
此外，電極厚度對儲能器件電化學性能的影響也是尤為重要的，成為近年來科研工作者的研究熱點。受前期工作的啟發，該團隊探究了不同厚度的木質基電極與超級電容性能的構效關系。結果表明:當電極厚度為1.532 mm時，木質基厚電極具有最佳的電容性能，包括高面積/體積容量、高能量密度和優異的循環性能。這種優異的超級電容器性能與合適的厚度、高負載活性材料、低彎曲度和木材衍生厚電極的層次性多孔結構的離子快速轉移相匹配。這一工作可進一步推廣到其他大面積厚電極的設計，以實現儲能器件的實際應用。相關研究工作近期以“Electrode Thickness Design toward Bulk Energy Storage Devices with High Areal/Volumetric Energy Density”為題，發表在《Applied Energy》（doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116734）雜志上。論文第一作者為南京林業大學博士生王峰，通訊作者為南京林業大學蔣少華教授，共同通訊作者分別為美國麻省理工學院張麟研究員和南京林業大學段改改副教授。
圖3. (a) 組裝SSC的面積和Ragone圖(能量密度、功率密度)。(b)不同碳基厚電極體積能量和功率密度的比較;(c)不同儲能器件與SSC的Ragone圖的比較。(d)碳基厚電極的體積電容和體積能量密度比較。插圖(a)顯示一個LED (1.8 V, 1.0 W)被兩個均勻的SSC串聯點亮。
近年來，該團隊在生物質碳源制備高性能的超級電容器電極材料方面取得了多項成果，相關工作分別發表在《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）等雜志上，并撰寫發表了題為“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）的綜述。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128767
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116734
