简易制备碳纳米管/石墨烯复合材料，用于高性能锂离子电容器

摘要：电池型阳极与电容器型阴极的配置已被证实可有效提升锂离子电容器（LICs）的功率密度与能量密度。电极反应动力学与容量之间的失配限制了LICs的发展。而快速且高效地制备适用于LICs阳极与阴极的碳基复合电极材料仍是一大关键难题。本文，兰州大学拜永孝教授团队在《A

1成果简介

电池型阳极与电容器型阴极的配置已被证实可有效提升锂离子电容器（LICs）的功率密度与能量密度。电极反应动力学与容量之间的失配限制了LICs的发展。而快速且高效地制备适用于LICs阳极与阴极的碳基复合电极材料仍是一大关键难题。本文，兰州大学拜永孝教授团队在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“Facile Method of Preparation of Graphene Nanoscrolls for High-Performance Lithium-Ion Capacitors”的论文，研究提出了一种通过简便的喷雾冷冻工艺 followed by自发传播反应制备三维（3D）石墨烯纳米卷包裹碳纳米管（CNT/rGOR）材料的有效方法。

独特的3D导电网络结构提升了电极材料的导电性，促进了高效的电荷传输和离子扩散。CNT/rGOR材料的独特特性使其可同时应用于LICs的阳极和阴极电极。作为阳极时，CNT/rGOR展现出1483.3 mAh g–1的高比容量和优异的倍率性能。作为阴极时，其在9000次循环后仍保持120.0 mAh g–1的高容量及99.0%的容量保持率。所制备的装置在452 W kg–1的功率密度下展现出213.1 Wh kg–1的能量密度，而在45.2 kW kg–1的超高压密度下展现出102.2 Wh kg–1的能量密度，同时具有长循环寿命，在6000次循环后仍保持87.1%的容量。这些电极的结构设计为解决液态离子电池电极的不匹配问题并构建高性能对称液态离子电池提供了策略。

2图文导读

图1.CNT/rGOR 合成路线的示意图。

图 2.（a， b） rGOS、（d， e） rGOR 和（g， h） CNT/rGOR 的 SEM 图像;（c） rGOS、（f） rGOR 和（i） CNT/rGOR 的 TEM 图像。

图3.（a） GO、rGOS、rGOR 和 CNT/rGOR 的（a） XRD 图样和（b） GO、rGOS 和 CNT/rGOR 的拉曼光谱;（c） CNT/rGOR、rGOR 和 rGOS 的 XPS 光谱和（d–f） O 1s 光谱。

图4.rGOS、rGOR 和 CNT/rGOR 材料的阳极。

图5.CNT/rGOR 材料的阴极。

图6、(a) Ragone plot of CNT/rGOR//CNT/rGOR LIC at different mass ratios; (b) CV curves of CNT/rGOR//CNT/rGOR LIC at varying scan rates; (c) GCD curves of CNT/rGOR//CNT/rGOR LIC at 0.2–2 A g–1; (d) GCD curves of CNT/rGOR//CNT/rGOR LIC at 3–20 A g–1; (e) Nyquist impedance plot of CNT/rGOR//CNT/rGOR LIC; (f) Ragone plot of CNT/rGOR//CNT/rGOR LIC compared to previously reported LICs; (g) cycle performance of CNT/rGOR//CNT/rGOR LIC at 2 A g–1.

3小结

综上所述，本文报道了一种制备高性能石墨烯基复合电极材料用于液态离子电池（LICs）的简便方法。所制备的CNT/rGOR复合材料具有三维结构、丰富的孔隙率、大量缺陷以及C═O官能团，这些特性在电解液中显著提升了电容性能。因此，CNT/rGOR材料在液态离子电池中作为阳极（1483.3mAh g–1，电流密度0.1Ag–1,1600次循环后容量保持率93.7%）和阴极（120mAh g–1，电流密度0.1Ag–1,9000次循环后无容量衰减）均展现出卓越的电化学性能。采用CNT/rGOR作为正负极的对称LIC装置实现了213.1Wh kg–1的高能量密度和45.2 kW kg–1的超高功率密度，并在2Ag–1下经过6000次循环后仍保持87.1%的优异容量保持率。综上所述，本文讨论的方法已被证明是制备锂离子电池电极材料的大规模合成的一种有前途的方法。

文献：