在低溫環(huán)境下,由于電解液離子擴(kuò)散受阻,超級(jí)電容器等儲(chǔ)電器件的電化學(xué)性能會(huì)急劇衰減。而利用具有光熱性能的電極材料,通過太陽(yáng)能光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)器件溫度的快速上升,有望大幅提升超級(jí)電容器的低溫性能。然而,開發(fā)兼具優(yōu)異光熱性能和高儲(chǔ)電能力的電極材料依然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
鑒于此,研究人員采用激光誘導(dǎo)技術(shù)制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯晶體膜,并通過脈沖電沉積技術(shù)將聚吡咯均勻復(fù)合到多孔石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,構(gòu)筑了石墨烯/聚吡咯復(fù)合電極,其具有高比容量,且能有效利用太陽(yáng)光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電極溫度的快速上升等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了一種新型光熱增強(qiáng)型超級(jí)電容器,既能將電極材料充分暴露于太陽(yáng)光下,又可以對(duì)固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行有效保護(hù)。在-30 °C的低溫環(huán)境中,一個(gè)太陽(yáng)光照射(1 kW m-2)下,超級(jí)電容器已嚴(yán)重衰減的電化學(xué)性能可以迅速提升至室溫水平。室溫(15℃)環(huán)境中,該器件在一個(gè)太陽(yáng)光照射下表面溫度提升了45 °C。溫度提升后,優(yōu)化的電極孔隙結(jié)構(gòu)和增加的電解液離子擴(kuò)散速率,使電容器的儲(chǔ)電能力提高了4.8倍(比電容和能量密度分別達(dá)到2755.2 mF cm-2和21.55 mWh cm-3)。此外,由于固態(tài)電解質(zhì)得到很好的保護(hù),10000次充放電后電容器的電容保持率仍高達(dá)85.8 %。
該工作相關(guān)成果已經(jīng)入選Journal of Materials Chemistry A期刊封面,為解決超級(jí)電容器低溫難題和開發(fā)高能量密度器件提供了新思路。
上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項(xiàng)、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
圖2. 石墨烯/聚吡咯復(fù)合電極材料的結(jié)構(gòu)表征。
圖4.期刊底封面圖。
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