南京林业大学左宋林教授，AFM：类石墨微晶炭纳米材料在核壳纳米阵列上构建高导电多孔/蜂窝炭网络实现高性能柔性非对称超级电容器

第一作者：刘领

通讯作者：左宋林

单位：南京林业大学

随着可折叠手机和柔性穿戴设备等新一代电子产品快速发展，柔性非对称超级电容器因具备高功率密度和优异的机械耐久性，被认为是理想的储能方案之一。然而，偏低的能量密度限制了其在长续航设备中的应用。其性能主要受两大因素制约：一是电极材料自身的本征导电性低、离子扩散动力学缓慢及循环中体积膨胀；二是正负极间的动力学失配。二者共同导致器件在高功率下极化加剧，容量与寿命衰减明显。因此，开发一种能够同步增强正负极材料本征性能并协调其动力学行为的创新策略，是推动高性能柔性非对称超级电容器发展的关键。

近日，南京林业大学化学工程学院左宋林教授团队在国际材料领域顶级期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Constructing Highly Conductive Porous/Honeycomb Networks on Core–Shell Nanoarrays for Flexible Asymmetric Supercapacitors with Superior Performance”的研究工作。本研究创新利用该团队自主研发的类石墨微晶炭纳米材料（GCNs），在碳布支撑的正负极核壳纳米阵列上成功构建了连续高导电的多孔/蜂窝炭网络。该复合电极结构巧妙融合了核壳阵列的高活性与碳网络的高导电性及缓冲能力，制作了高比容量的正极（3168 F g^-1）和负极（1026 F g^-1），且在20 A g^-1高倍率下均具有90%以上的容量保持率。由它们构建的柔性非对称超级电容器能量密度高达112.2 Wh kg^-1，在20000次循环后容量保持率超过91%，并在180°反复弯折下性能几乎无衰减，可直接稳定驱动智能手机等终端设备持续运行。该工作通过GCNs修饰有效协调了正负极间的动力学过程，为高性能柔性储能器件的发展提供了新范式。南京林业大学为论文唯一完成单位，化学工程学院博士研究生刘领为第一作者，左宋林教授为唯一通讯作者。本研究获得了国家自然科学基金的资助。

该团队通过自主研发的微波辅助选择性氧化技术，以生物质炭或活性炭为原料，首次获得其微观结构单元衍生的类石墨微晶炭纳米材料（GCNs），该材料兼具短程有序类石墨结构、丰富含氧和含氮基团等特性。电极制备以炭布为支撑基底，先经低温水热法原位生长金属基阵列，再通过电化学沉积形成核壳电极阵列。随后经聚乙烯亚胺质子化改性电极表面，利用静电相互作用与氢键作用将GCNs涂覆于核壳阵列表面，经简单热处理，得到包括核壳纳米阵列+连续导电多孔/蜂窝炭网络的多级电极结构。

涂覆GCNs是全面提升电极电化学性能的关键：GCNs的高导电特性大幅降低电极的电荷转移阻力，从而显著提升电子传输效率；通过强界面耦合能力与电极材料形成稳定金属-氮配位键，诱导电极电子结构向金属态转变；GCNs构建的连续多孔网络显著缩短离子扩散路径，有效缓冲充放电过程中的电极体积膨胀并增强结构稳定性，为器件高功率输出奠定结构基础。GCNs涂覆形成的多孔/蜂窝炭网络结构突破了传统金属化合物电极的技术瓶颈。

密度泛函理论（DFT）计算表明，GCNs的含氮基团有效调控电极电子结构与离子传输动力学，明确了其诱导电极金属态转变、优化界面作用与离子扩散效率的内在原理，为多层级结构的性能优势提供了科学依据，也进一步印证了材料设计与结构创新的合理性。

组装的柔性非对称超级电容器在兼顾高能量密度与高功率输出的同时，展现出卓越的抗形变稳定性，经180°反复弯折后性能几乎无衰减，可直接稳定驱动智能手机等终端设备持续运行。这一成果有效改善了传统柔性储能器件在性能与形变稳定性方面难以兼顾的核心难题，为柔性电子设备的储能解决方案提供了技术支撑。

Constructing Highly Conductive Porous/Honeycomb Networks on Core–Shell Nanoarrays for Flexible Asymmetric Supercapacitors with Superior Performance

左宋林，南京林业大学教授，博士生导师，主要从事生物质热化学转化与炭材料方向，是林业工程国家一流建设学科生物质热化学转化与炭材料研究团队负责人，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人，留学日本和加拿大。已从事生物质热化学转化与炭材料30年，长期聚焦活性炭与多孔炭等炭材料的创新研发，在活性炭与多孔炭材料的结构、制造以及应用等方面的理论、技术和产品研究开发取得了一系列科研成果。近年来，主持重点研发计划、国家自然科学基金等国家级和省部级科研项目10余项，完成产学研合作项目10余项，发表学术论文100多篇，申请并授权发明专利17项（含美、日、欧国际专利各1项）。创新成果获河南省科技进步一等奖、福建省科技进步一等奖、教育部科技进步二等奖、梁希林业科学技术一等奖、江苏省科技进步二等奖等重要奖励。左宋林教授长期担任中国林学会活性炭专业委员会副主任和林产化工分会常务理事，并受聘为日本活性炭技术研究会顾问等职。在教学方面，主持一门国家级精品课程和主编省级重点教材一部，主讲多门本科、博士和硕士研究生核心课程，致力于培养林产化工领域的高层次人才。

刘领，南京林业大学化学工程学院在读博士研究生，主要研究方向为类石墨微晶炭纳米材料等炭材料的研究。

左宋林课题组长期从事生物质热化学转化与炭材料的研究开发工作，是国内专门从事该领域研究开发的主要团队之一。在多孔炭材料的孔隙、表面化学和微观组织等结构的分析与调控，活性炭与多孔炭的制备技术，以及在吸附分离炭材料、超级电容器用电容炭、钠离子电池硬炭负极材料、燃料电池电催化炭载体、锂离子电池硅/碳复合多孔炭以及纳米功能炭等方面开展了长期、深入和系统的研究开发，在理论、制造与应用方面取得系列科研成果。同时，高度重视科研成果的产业化，与国内活性炭与多孔炭材料的制造与应用行业企业建立了广泛和紧密的合作关系，推动我国活性炭与多孔炭技术发展和新产品的开发与应用。

课题组招聘高素质的炭材料研究人员和师资。