[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究展示了基于纳米多孔石墨烯的超级电容器，通过可扩展的氢气退火工艺，实现了与锂离子电池相当的高能量密度和高功率密度。该方法制备出高度多孔、结构均匀的石墨烯，具有优异的离子可及性，从而实现超高的比电容和出色的循环稳定性。

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.

研究动机与目标

• 克服电化学超级电容器中能量密度与功率密度之间的根本性权衡。
• 解决限制超级电容器在长时储能应用中性能的低能量密度与低比电容问题。
• 开发一种可扩展的合成方法，以制备具有理想孔径、均匀性及离子可及性的石墨烯。
• 展示具有增强的比容量和体积容量的稳定、高性能超级电容器运行。
• 实现超级电容器在同时需要高功率和长时间能量输出的应用中的实际部署。

提出的方法

• 采用一种简单的氢气退火工艺，通过可扩展的纳米多孔石墨烯合成方法，实现对孔隙结构的可控调控。
• 通过工程化设计使石墨烯具有均匀的孔径分布，以增强离子传输与可及性。
• 使用纳米多孔石墨烯作为电极材料，制备超级电容器器件。
• 优化电极结构，以最大化比表面积和离子扩散动力学。
• 开展电化学表征，以测量电容、能量密度、功率密度及循环稳定性。
• 采用比容量和体积容量指标，在标准测试条件下评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够以规模化方式合成具有可控孔径和均匀性的纳米多孔石墨烯，从而提升超级电容器性能？
• RQ2 在不牺牲功率密度的前提下，超级电容器的能量密度可提升至何种程度？
• RQ3 纳米多孔石墨烯中的离子可及性在多大程度上影响比电容和倍率性能？
• RQ4 在高倍率运行条件下，采用该纳米多孔石墨烯的超级电容器具有怎样的循环稳定性？
• RQ5 高比表面积与优化的孔隙结构是否能够同时实现高比容量和高体积容量？

主要发现

• 纳米多孔石墨烯电极实现了超高的比质量电容，显著优于传统超级电容器材料。
• 体积电容也得到显著提升，表明电极体积被高效利用。
• 超级电容器表现出与锂离子电池相当的能量密度，同时保持了高功率密度。
• 观察到优异的循环稳定性，证实了长期运行的可靠性。
• 氢气退火工艺实现了可扩展生产，获得具有可调孔隙率和高离子可及性的石墨烯。
• 性能提升归因于最优的孔径分布和均匀结构，从而促进了快速离子传输。