基于碳材料家族的超级电容器具有质量轻便、能量密度高和循环寿命长等优点，被普遍认为是一种具有前景的电化学能量储存器件。与此同时，由于微观结构和化学键合的不同，不同维度的碳材料也表现出迥然各异的物理、化学行为。近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授课题组与美国莱斯大学Ajayan教授课题组合作，通过对二维石墨烯、一维碳纳米管和零维碳纳米洋葱的可控组装和结构调控，实现了具有超快充放电性能的三维多孔水凝胶超级电容器。该研究成果已发表在《Small》上，第一作者是博士生王昌达（DOI 10.1002/smll.201601738）。
图1：All-Carbon超级电容器的设计、性能与同步辐射吸收谱表征。
由于石墨烯独特的二维结构和优异的物理化学性能，与传统电容器的电极材料相比，在能量储存和释放过程中显示出极高的优越性。而碳纳米洋葱是碳原子构成的纳米级空心球状结构，具有非常大的比表面，表现出优异的小尺寸效应和量子尺寸效应，是理想的微电容材料。在本研究中，研究者提出了一种不同维度的结构设计模型，通过水热合成和冷冻干燥技术，实现了二维石墨烯、一维碳纳米管和零维碳纳米洋葱的组装和调控。随后，结合同步辐射表征吸收谱手段，研究者发现不同维度碳材料之间具有良好的界面结合和电子转移通道，从而提高了电解质离子和电子在不同碳材料电极之间的转移速度。这种不同维度碳材料的协同效应使得超级电容器表现出非常优异的大电流快速充放电及循环稳定性能。本研究有望为基于碳材料的超级电容器以及其它储能器件的研究提供新的设计思路和先进的表征手段。
该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部青年973项目、合肥大科学装置培育基金，以及上海、北京和合肥同步辐射装置的支持。
