太原理工大學(xué)王孝廣課題組報(bào)道了一種以低成本的煤為前驅(qū)體，合成制備具有自支撐結(jié)構(gòu)的柔性串珠狀碳復(fù)合材料，并將其用于鉀離子混合電容器負(fù)極。通過(guò)電化學(xué)等測(cè)試技術(shù)研究了電極材料結(jié)構(gòu)對(duì)鉀離子存儲(chǔ)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果表明，串珠狀電極材料復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了電極表面的潤(rùn)濕性，促進(jìn)了電解質(zhì)離子的擴(kuò)散，從而提高了鉀離子混合電容器的電化學(xué)性能。
鉀離子混合電容器通常由電池型負(fù)極和電容型正極組成，可在保持良好循環(huán)壽命的同時(shí)呈現(xiàn)出優(yōu)異的能量密度和功率密度。追求長(zhǎng)壽命、高倍率和低成本的負(fù)極材料對(duì)鉀離子混合電容器具有重要意義。碳質(zhì)材料因其天然豐度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、易于調(diào)節(jié)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)被作為電極材料廣泛研究。然而，如何充分結(jié)合資源豐富煤炭資源和碳納米纖維的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)相關(guān)的研究卻較少。因此，研究碳材料體系在儲(chǔ)鉀方面的作用是十分必要的，特別是電極材料結(jié)構(gòu)及K+轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)對(duì)于鉀離子混合電容器的影響。
鑒于此，作者通過(guò)高溫碳化及靜電紡絲將煤前驅(qū)體結(jié)合聚丙烯腈制備了串珠狀結(jié)構(gòu)電極（BCCFs-800）。將其用于鉀離子半電池時(shí)，在0.05 A g-1的電流密度下呈現(xiàn)出291.8 mAh g-1 的放電比容量，在5.0 A g-1的大電流密度下仍保持有104.5 mAh g-1，當(dāng)在1.0 A g-1電流密度下循環(huán)2000圈后依舊具有131.4 mAh g-1 的放電比容量。另外，作者通過(guò)結(jié)合商業(yè)活性炭作為正極，組裝了鉀離子混合電容器。測(cè)試結(jié)果顯示，該鉀離子混合電容器能量密度和功率密度分別可達(dá)119 Wh kg-1和2187 W kg-1。
圖1.（a）CC-800，（b）CFs-800和（c）BCCFs-800的SEM照片（插圖為結(jié)構(gòu)示意圖）。（d，f）BCCFs-800的TEM照片。（e，g）BCCFs-800的HRTEM照片。（h-k）BCCFs-800的元素分布圖。 為了反映電極表面與含K+電解液之間的相互作用，作者對(duì)電極材料進(jìn)行了電解液接觸角測(cè)試。結(jié)果表明，BCCFs-800的接觸角僅為4.3°，明顯小于CFs-800（~ 13.8°）和CC-800（~ 24.5°）。顯然，三維串珠狀網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征對(duì)K+的擴(kuò)散起著至關(guān)重要的作用，從而促進(jìn)了K+快速存儲(chǔ)的電容行為。該工作為煤炭資源的綠色清潔利用提供了新的思路，同時(shí)有效促進(jìn)了鉀離子存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。然而，鉀離子混合電容器的能量密度還不能滿足大功率商業(yè)應(yīng)用的要求。因此，更多有針對(duì)性的工作需要在未來(lái)做更深入研究。 圖2. CC-800、CFs-800和BCCFs-800的電解液擴(kuò)散示意圖及相應(yīng)的接觸角測(cè)試。 論文信息 Bead-Like Coal-Derived Carbon Anodes for High Performance Potassium-Ion Hybrid Capacitors Shiwei Wei, Xiaoyang Deng, Manab Kundu, Zizai Ma, Jianxing Wang, Xiaoguang Wang 文章第一作者為魏世偉 ChemElectroChem DOI: 10.1002/celc.202101715
