固体所在光热增强型超级电容器研究方面取得进展

      近期，中科院合肥研究院固体所王振洋研究员团队在光热增强型超级电容器研究方面取得进展。相关研究成果以 “Enhancing Energy Storage Capacity of Graphene Supercapacitors via Solar Heating”为题，作为封面发表在 Journal of Materials Chemistry A ( J. Mater. Chem. A , 10, 3382-3392(2022) )期刊上。

       超级电容器等储电器件在低温环境下由于电解液离子扩散受阻，导致器件电化学性能急剧衰减。利用具有光热性能的电极材料，通过太阳能光热效应实现器件温度的快速上升，有望大幅提升超级电容器的低温性能。然而，开发兼具优异光热性能和高储电能力的电极材料依然是一个挑战。

       鉴于此，研究人员采用激光诱导技术制备了具有三维多孔结构的石墨烯晶体膜，并通过脉冲电沉积技术将聚吡咯均匀复合到多孔石墨烯导电网络内部，构筑了石墨烯/聚吡咯复合电极，其具有高比容量，且能有效利用太阳光热效应实现电极温度的快速上升。在此基础上，进一步构建了一种新型光热增强型超级电容器，既能将电极材料充分暴露于太阳光下，又可以对固态电解质进行有效保护。在-30 °C的低温环境中，一个太阳光照射（1 kW m-2）下，超级电容器已严重衰减的电化学性能可以迅速提升至室温水平。室温（15℃）环境中，该器件在一个太阳光照射下表面温度提升了45 °C。温度提升后，优化的电极孔隙结构和增加的电解液离子扩散速率，使电容器的储电能力提高了4.8倍（比电容和能量密度分别达到2755.2 mF cm-2和21.55 mWh cm-3）。此外，由于固态电解质得到很好的保护，10000次充放电后电容器的电容保持率仍高达85.8 %。

       该工作相关成果已经入选Journal of Materials Chemistry A期刊封面，为解决超级电容器低温难题和开发高能量密度器件提供了新思路。

       上述工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、安徽省科技重大专项、安徽省重点研发计划等项目的支持。

图 1. （ a ）光热增强型超级电容器的制备过程；（ b ）太阳能光热自加热示意图。

图 2. 石墨烯 / 聚吡咯复合电极材料的结构表征。

图 3. (a) 光热型超级电容器电极结构截面示意图； (b) 电极材料和器件的紫外 - 可见 - 近红外透过率 (T) 、反射率 (R) 和吸收光谱 (A) ； (c) 不同光照强度下器件的升温时间曲线； (d) 一个太阳光照下器件在升温过程中的热红外图像。