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【引言】

隨著便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)等的快速發(fā)展，人們對(duì)高能量密度、高功率密度以及長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能器件的需求也在日益上升。在目前的儲(chǔ)能體系中，鋰離子充電機(jī)充電電池（LIBs）和超級(jí)充電機(jī)充電電容器（SCs）由于其在日常生活中廣泛的應(yīng)用，受到了越來(lái)越高的關(guān)注。LiBs雖然能夠較高的能量密度（150~200 Wh/kg），但功率密度較低且循環(huán)穩(wěn)定性較差，使用壽命較為有限。然而，SCs則具備較高的功率密度（2~5 kW/kg）和較長(zhǎng)的使用壽命（>1×105 次循環(huán)），但能量密度較低。因此，如何通過(guò)將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器件的高能量密度、高功率密度以及長(zhǎng)壽命，在能量存儲(chǔ)領(lǐng)域依然有待解決。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，南京理工大學(xué)夏暉教授聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥教授在Adv. Energy Mater.上發(fā)表了一篇題為“High Energy and High Power Lithium-Ion Capacitors Based on Boron and Nitrogen Dual-Doped 3D Carbon Nanofibers as Both Cathode and Anode”的文章。在該項(xiàng)工作中，研究人員以商業(yè)細(xì)菌纖維素（BC）膜為初始材料，開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)易可控的硼（B）、氮（N）雙摻雜三維多孔碳納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（BNC）合成技術(shù)。B, N雙摻雜不僅增大了碳納米纖維的表面積和碳層間距，而且還增加了活性位點(diǎn)數(shù)目，改善了碳納米纖維的電極動(dòng)力學(xué)。在作為SCs陰極時(shí)，BNC電極具備大比充電機(jī)充電電容和理想的雙層充電機(jī)充電電容性能；在作為L(zhǎng)IBs負(fù)極時(shí)，BNC電極同樣具備較大的比容量和優(yōu)異的倍率性能，且循環(huán)穩(wěn)定性能良好。在本文中，研究人員首次將BNC成功用于高性能BNC//BNC 鋰離子充電機(jī)充電電容器（LIC），其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于先前報(bào)道的其他LICs。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在功率密度為225 W/kg時(shí)，這種對(duì)稱(chēng)“雙碳”LICs具備的220 Wh/kg的高能量密度；在能量密度為104 Wh/kg時(shí)，該LICs功率密度可達(dá)22500 W/kg。該BNC/BNC LICs優(yōu)異的能量密度和功率密度表明，采用多孔碳修飾和對(duì)稱(chēng)充電機(jī)充電電池結(jié)構(gòu)有望開(kāi)發(fā)高性能LICs，同時(shí)也為高性能LICs的研發(fā)提供了一種思路。

【圖文導(dǎo)讀】

BNC的合成工藝及形貌表征

(a) BNC的合成工藝示意圖；

(b) 0.1-BNC的FESEM圖像；

(c-e) 不同B,N摻雜濃度下，BNC樣品的XRD圖譜（c）、拉曼光譜（d）和氮?dú)獾葴匚?脫附充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線（e）。

 0.1-BNC樣品的HRTEM、STEM及XPS表征

(a-d) 0.1-BNC樣品的TEM（a, b）、HRTEM（c）、STEM及對(duì)應(yīng)的元素分布圖像（d）；

(e-g) 0.1-BNC樣品的高分辨C 1s（e）、B 1s（f）和N 1s（g） XPS譜。

BNC正極的電化學(xué)測(cè)試

(a) 在掃描速率為10 mV/s下，0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC正極的CV充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線；

(b) 不同掃描速率下，0.1-BNC正極的CV充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線；

(c) 不同電流密度下，0.1-BNC正極的充放電充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線；

(d) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC正極的倍率性能圖；

(e) 電流密度為2 A/g時(shí)，0.1-BNC正極的循環(huán)（5000次）-容量性能圖。

BNC負(fù)極的電化學(xué)測(cè)試

(a) 不同掃描速率下，0.1-BNC負(fù)極的CV充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線；

(b) 掃描速率為0.5 mV/s時(shí)，0.1-BNC負(fù)極的CV充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線，陰影部分表示表面充電機(jī)充電電容所占比例。

(c) 不同電流密度下，0.1-BNC負(fù)極的充放電充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線；

(d) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC負(fù)極的倍率性能圖；

(e) 電流密度為2 A/g時(shí)，0.1-BNC負(fù)極的5000次充發(fā)電循環(huán)-容量充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線圖；

(f) 0-BNC、0.05-BNC、0.1-BNC和0.15-BNC電極的能奎斯特充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線。

圖  BNC//BNC LIC的電化學(xué)性能測(cè)試

(a) BNC//BNC LIC的電荷存儲(chǔ)機(jī)制示意圖；

(b) 不同掃描速率下，BNC//BNC LIC的CV充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線；

(c) 不同電流密度下，BNC//BNC LIC的充放電充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線；

(d) 電流密度為2 A/g時(shí)，BNC//BNC LIC在0.02~4.5 V間的循環(huán)性能充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線；

(e) BNC//BNC LIC的Ragone充電機(jī)充電蓄電池充放電曲線，及與先前報(bào)道的LICs的對(duì)比，插圖為L(zhǎng)IC器件為10顆綠色LED面板供能的照片。

【小結(jié)】

本文中，研究人員通過(guò)一種簡(jiǎn)易可控的合成方法，成功構(gòu)建了B, N雙摻雜3D多孔探秘納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該BNC在作為L(zhǎng)ICs無(wú)粘合劑電極時(shí)，具備優(yōu)異的電化學(xué)性能。通過(guò)優(yōu)化摻雜條件，制得的BNC在作為正負(fù)極時(shí)，同時(shí)表現(xiàn)出了比容量大、倍率性能優(yōu)異和循環(huán)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)。利用對(duì)稱(chēng)“雙碳”構(gòu)型，研究人員成功構(gòu)建了 4.5 V的BNC//BNC LIC。在功率密度為225 W/kg時(shí)，該LICs具備220 Wh/kg的高能量密度；在能量密度為104 Wh/kg時(shí)，該LICs功率密度可達(dá)22500 W/kg；且該LICs具備相對(duì)較長(zhǎng)的使用壽命，經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)后充電機(jī)充電電容保持率為81%。這種在3D碳材料中同時(shí)摻雜不同原子的理念為高性能電極的設(shè)計(jì)提供了新思路，有助于提升雜化SC的能量和功率密度。