[論文レビュー] Achieving Both High Power and Energy Density in Electrochemical Supercapacitors with Nanoporous Graphene Materials

Hao Yang, Santhakumar Kannappan+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2013

Supercapacitor Materials and Fabrication参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、スケーラブルな水素アニールプロセスを用いて、リチウムイオン電池と同等の高エネルギー密度と、高パワー密度を両立するナノポーラスグラフェンベースのスーパーキャパシタを実証した。この手法により、非常に多孔質で均一なグラフェンが得られ、イオンのアクセス性が優れており、超高比容量および優れたサイクル安定性を実現した。

ABSTRACT

Supercapacitors, based on the fast ion transportation, are specialized to provide high power, long stability, and efficient energy storage with highly porous electrode materials. However, their low energy density and specific capacitance prevent them from many applications that require long duration. Using a scalable nanoporous graphene synthesis method involving a simple annealing process in hydrogen, here we show graphene supercapacitors capable of achieving a high energy density comparable to what Li-ion batteries can offer, but a much higher power density. Ultra-high specific gravimetric and volumetric capacitances are achieved with highly porous graphene electrodes. Moreover, the supercapacitors assembled with graphene electrodes show excellent stability. Our results demonstrate that by synthesizing graphene materials with an ideal pore size, uniformity, and good ion accessibility, the performance of supercapacitors can be revolutionized.

研究の動機と目的

• 電気化学的スーパーキャパシタにおけるエネルギー密度とパワー密度の根本的トレードオフを克服すること。
• 長時間エネルギー貯蔵に応用されるのを制限する低エネルギー密度および低比容量の問題を解決すること。
• 理想のポーラスサイズ、均一性、イオンアクセス性を備えたグラフェンをスケーラブルに合成する方法を開発すること。
• 高比容量および体積比容量を向上させた、安定的で高性能なスーパーキャパシタの動作を実証すること。
• 高パワーと継続的なエネルギー供給を要する応用分野におけるスーパーキャパシタの実用的導入を可能にすること。

提案手法

• 制御されたポーラス構造を有するナノポーラスグラフェンのスケーラブルな合成法として、単純な水素アニールプロセスを採用した。
• イオン輸送性とアクセス性を向上させるために、均一なポーラスサイズ分布を有するグラフェンを設計した。
• ナノポーラスグラフェンを電極材料として用いてスーパーキャパシタデバイスを製造した。
• 比表面積の最大化とイオン拡散キネティクスの最適化を図るために、電極構造を最適化した。
• 比容量、エネルギー密度、パワー密度、サイクル安定性を測定するために、電気化学的特性評価を実施した。
• 標準化された試験条件下での性能評価のために、質量比および体積比容量の指標を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーラブルにナノポーラスグラフェンを合成可能であり、ポーラスサイズと均一性が制御可能で、スーパーキャパシタの性能向上に寄与するか？
• RQ2 パワー密度を損なわず、エネルギー密度をどの程度まで向上させることができるか？
• RQ3 ナノポーラスグラフェンにおけるイオンアクセス性が、比容量およびレート能力に与える影響はいかほどか？
• RQ4 高レート動作下における、本ナノポーラスグラフェンを用いたスーパーキャパシタのサイクル安定性はいかがなものか？
• RQ5 高比表面積と最適化されたポーラス構造の組み合わせが、高質量比および高体積比容量をもたらすか？

主な発見

• ナノポーラスグラフェン電極は、従来のスーパーキャパシタ材料を著しく上回る超高比表面積比容量を達成した。
• 体積比容量の向上も顕著であり、電極体積の効率的利用を示した。
• スーパーキャパシタは、リチウムイオン電池と同等のエネルギー密度を示しながらも、高パワー密度を維持した。
• 優れたサイクル安定性が観察され、長期的な運用信頼性が確認された。
• 水素アニールプロセスにより、調整可能なポーラス構造と高いイオンアクセス性を有するグラフェンのスケーラブルな生産が可能になった。
• 性能向上は、最適なポーラスサイズ分布と均一な構造が迅速なイオン輸送を促進するためであると帰属された。