與其他微型超級電容器和微型電池相比，鋰離子微型電容器(LIMCs)具有同時具有高能量/功率密度和長循環(huán)壽命的競爭優(yōu)勢。然而，這些性能顯著決定于碳陽極的快速鋰離子儲存動力學(xué)。本文提出了一種從碳鍵水平出發(fā)，在典型多孔芳烴骨架-5 (PAF-5)的前驅(qū)體側(cè)面進(jìn)行設(shè)計(jì)的策略，并且與熱解后的結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以協(xié)同平衡衍生碳的 sp
2/sp
3結(jié)構(gòu)域比、層間距和孔結(jié)構(gòu)。PAF-5具有繼承的 sp
2結(jié)構(gòu)域和多孔結(jié)構(gòu)，使得衍生炭具有高的電子輸運(yùn)能力和快速的 Li + 吸附能力。同時，發(fā)達(dá)的 sp
3結(jié)構(gòu)域和擴(kuò)大的層間距也使得 Li + 插層貢獻(xiàn)豐富和快速，產(chǎn)生了優(yōu)良的速率性能(141.9 mAh g
-1,4 A g
-1) ，是商業(yè)石墨陽極的13倍。基于這種碳陽極制備了一種柔性的 LIMC，同時獲得了高能量/功率密度(71.1 mWha cm
-3/1.9 W cm
-3)、長循環(huán)壽命(6000次循環(huán)后94.7%)和柔性，證明了設(shè)計(jì)的 PAFs 作為高性能 Li + 儲存的修飾碳陽極前驅(qū)體的可行性。
圖1. PAF-5衍生碳陽極用于低成本集成電路的示意圖。A) PAF-5前驅(qū)體及其熱解。B) PAF-5衍生的低成本集成電路用碳陽極及鋰離子儲存機(jī)制。
圖2. PAF-5衍生碳的結(jié)構(gòu)演化與表征。a) PAF-5在不同溫度下熱解后的原位FTIR光譜。b) 1200碳的典型SEM圖像。c) PAF-5及其衍生碳的XPS c1s光譜，以及相應(yīng)的TEM圖像(插圖)。D) sp2/sp3比值隨熱解溫度的變化規(guī)律。e)衍生碳的SSA和孔徑分布隨熱解溫度的變化規(guī)律。f)典型碳的內(nèi)在特征相關(guān)性。
圖3. PAF-5衍生炭在半電池中的鋰離子儲存性能。a)與商業(yè)石墨陽極相比的速率性能。B)循環(huán)性能。c)鋰離子擴(kuò)散系數(shù)(D
Li +)作為放電過程中典型電壓點(diǎn)的函數(shù)。d-f)碳陽極的典型 CV 和 GCD 曲線。g)隨著裂解溫度的升高，碳結(jié)構(gòu)演變和鋰離子儲存機(jī)理的示意圖。
圖4. 柔性 LIMC 的裝配與性能評價(jià)。A，b)噴印交指電極圖案的數(shù)字圖像。交指電極的SEM 圖像: c)俯視圖，d)陰極和 e)陽極的側(cè)視圖，f)陰極和 g)陽極。H)低濃度集成電路的離子和電子傳輸示意圖。
圖5. 低成本集成電路的電化學(xué)性能。A)低壓集成電路裝配示意圖。B)低成本集成電路石化前的數(shù)字圖像。C)未經(jīng)預(yù)巖化的低成本集成電路的 GCD 圖譜。D)具有預(yù)巖化作用的中低成本集成電路的 GCD 圖譜。E)低成本中型企業(yè)的 GCD 概況。F)中小型企業(yè)系列的政府采購合約概況。G)不同角度彎曲的低強(qiáng)度集成電路(LIMC)的 GCD 剖面。H)低成本集成電路的循環(huán)性能，插圖: 由低成本集成電路供電的 LED 的數(shù)字圖像。I)我們的 LIMCs 的 Ragone 圖與文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行比較。
相關(guān)科研成果由東北師范大學(xué)Guangshan Zhu, Yuyang Tian河北工業(yè)大學(xué)Gongkai Wang等人于2024年發(fā)表在Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202300460）上。原文：Fast Kinetic Carbon Anode Inherited and Developed from Architectural Designed Porous Aromatic Framework for Flexible Lithium Ion Micro Capacitors
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300460
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
