近期，中科院合肥研究院固體所王振洋研究員團(tuán)隊(duì)在光熱增強(qiáng)型超級(jí)電容器研究方面取得進(jìn)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(jí)電容器等儲(chǔ)電器件在低溫環(huán)境下由于電解液離子擴(kuò)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(shí)現(xiàn)器件溫度的快速上升，有望大幅提升超級(jí)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(chǔ)電能力的電極材料依然是一個(gè)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(shí)現(xiàn)電極溫度的快速上升。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了一種新型光熱增強(qiáng)型超級(jí)電容器，既能將電極材料充分暴露于太陽光下，又可以對(duì)固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行有效保護(hù)。在-30 °C的低溫環(huán)境中，一個(gè)太陽光照射（1 kW m-2）下，超級(jí)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(gè)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(kuò)散速率，使電容器的儲(chǔ)電能力提高了4.8倍（比電容和能量密度分別達(dá)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(hù)，10000次充放電后電容器的電容保持率仍高達(dá)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(jí)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項(xiàng)、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)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(qiáng)型超級(jí)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(jí)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(qiáng)度下器件的升溫時(shí)間曲線；(d) 一個(gè)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。