湘潭大学刘备/阳梅&北京化工大学邱介山AFM: 高倍率、高能量密度的生物质基一体式柔性超级电容器

邃瞳科学云

2023-11-29

导读：本研究全方位地利用禾本科秸秆创新性地构建了一种全生物质一体化柔性超级电容器。该一体式柔性器件具有超高的倍率性能、高能量密度和优异的柔韧性和长循环寿命。

第一作者：刘备

通讯作者：阳梅、邱介山

通讯单位：湘潭大学、北京化工大学

论文DOI：10.1002/adfm.202310534.

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湘潭大学刘备/阳梅副教授与北京化工大学邱介山教授合作全方位地利用禾本科秸秆创新性地构建了一种全生物质一体化柔性超级电容器。首先，利用秸秆外皮制备了兼具优异柔韧性、润湿性和离子导电性的纤维隔膜(EBMs)，同时利用外皮提取的羧甲基纤维素钠盐制备了凝胶电解质（CMCNa-Na₂SO₄）；再将去除外皮后的茎髓经硫化碳化法制备了具有分级多孔结构和高N/S含量的3D泡沫碳电极(EBC-800)。基于EBC-800、EBM和CMCNa-Na₂SO₄凝胶电解质构建的柔性一体式超级电容器(BFS)表现出高的比电容（274 F g⁻¹@1 A g⁻¹）、超高倍率性能(82.12%，1-100 A g⁻¹)、高能量密度(40.14 Wh kg⁻¹)和出色的柔韧性。这些优异的电化学性能超过了迄今为止报道的生物质基柔性超级电容器。本文从分子化学工程和产品工程角度阐明了生物质的增值高效利用，并为构筑一体式高性能柔性储能器件提供了新思路。

背景介绍

超级电容器(SCs)的电化学性能主要取决于电极、隔膜和电解质三个关键组分。目前报道的SCs常使用金属氧化物/聚合物基电极以及腐蚀性液体电解质，但普遍存在高成本、低安全性以及环境污染问题，探寻经济高效、环境友好和性能优越的电极、隔膜和电解质，是制备低成本高性能SCs的关键。目前生物质已广泛用于制备粉末碳基电极材料，但制备生物质衍生的隔膜和电解质的报道较少，特别是利用同一种生物质原料制备三个关键组分(包括电极材料、隔膜和电解质)组装一体式超级电容器的研究尚未见报道。禾本科秸秆(EB)是一类常见的农业生物质，种类繁多，结构优势明显，富含纤维素、半纤维素和木质素。其中EB的外皮纤维含量高(~64.02%)，是制备纤维隔膜和羧甲基纤维素钠(CMCNa)固态凝胶电解质的良好前驱体。同时，EB秸秆的茎髓疏松多孔，富含纤维素、蛋白质、脂肪和多种氨基酸(44.44 wt% C、49.39 wt% O、6.17 wt% H)，又是制备3D多孔泡沫碳材料的良好前驱体。因此，禾本科秸秆是构建高效一体式柔性超电的理想前驱体。

本文亮点

1. 首次提出全方位地利用禾本科秸秆构建高效的一体式柔性超级电容器。

2. 秸秆外皮衍生的纤维隔膜（EBM）具有优异的柔韧性、润湿性和离子导电性。秸秆内髓衍生的3D多孔碳泡沫电极（EBC-800）具有高N/O/S共掺杂水平和分级多孔结构。

3. 该一体式柔性器件具有超高的倍率性能（在1.0-100 A g⁻¹的电流密度下电容保持率高达82.12 %）、高能量密度（40.14 Wh kg⁻¹）和优异的柔韧性和长循环寿命。

图文解析

图1. 高效能生物质一体式柔性超级电容器构建思路。

图2. 基于禾本科秸秆(EB)的一体式柔性超级电容器的制备流程示意图。

图3. 秸秆外皮衍生纤维隔膜(EBM)的结构表征和理化性质。

图4. 秸秆内髓衍生3D多孔泡沫碳材料(EBC-800)的结构表征。

图5. EBC-800/EBM对称超级电容器在6M KOH电解质中的电化学性能研究。

图6. DFT理论计算：不同N/O/S含量EBC-800模型的钾离子吸附能、能带及态密度图。

图7. 一体式柔性超级电容器电化学性能。

参考文献

Bei Liu^a,b, Yong Ye^a, Mei Yang^a*, Yijiang Liu^a, Hongbiao Chen^a, Huaming Li^a, Wenhui Fang^c, Jieshan Qiu^c*, All-in-one biomass-based flexible supercapacitors with high rate performance and high energy density, Adv. Funct. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adfm.202310534.

第一作者简介

刘备 博士，湘潭大学硕士生导师。主要从事多孔碳材料和共价有机框架材料的调控制备及其在新能源器件（超级电容器、锌离子电池、锌空电池）中的应用研究。以第一作者/通讯作者在Adv. Funct. Mater., Small, Chem. Eng. J., Carbon, J. Mater. Chem. A等国际知名刊物上累计发表SCI论文15余篇，其中ESI高被引论文2篇，单篇最高被引400余次。主持湖南省自然科学基金、广东省自然科学基金、湖南省教育厅重点项目、湖南省教改项目等项目4项。担任Chemical Engineering Journal，Journal of Power Sources, ACS Applied Energy Materials等国际知名期刊通讯审稿人。

通讯作者简介

阳梅 湘潭大学副教授，硕士生导师。主要从事聚合物基多孔碳材料以及聚合物粘结剂的设计、合成及其应用。曾获得2018年湖南省优秀博士学位论文、湖南省科技进步三等奖、湖南省专利一等奖、湖南省第12届自然科学优秀学术论文一等奖，在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal., B, J. Mater. Chem. A, Carbon, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Energy Chem.等刊物上发表多篇论文。

邱介山 北京化工大学教授，博士生导师。现任北京化工大学校学术委员会副主任、中国科协先进材料学会联合体主席团副主席、中国化工学会化学工程专业委员会主任委员、中国超级电容联盟副理事长、北京中关村石墨烯产业联盟副理事长、中国能源学会专家委员会副主任、多篇中英文学术刊物的编委等。主要从事材料化工、能源化工等领域的研究, 先后在Nature Mater., Nature Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Energy & Environ. Sci., Chem. Soc. Rev., Sci. Adv., Matter等国际学术刊物上发表多篇论文。