Ultrafast activation to form through-hole carbon facilitates ion transport for high specific capacity supercapacitors

超快活化形成通孔碳促进离子传输以实现高比容量超级电容器

Hongxia Gao ^a, Yikun Li ^a, Xueyan Wu ^a,*, Yan Lv ^a, Chunmei Ma ^b, Yanchun Pei ^a, Na Liang ^a, Fanze Meng ^a, Pengfei Dong ^a, Jixi Guo ^a,**

^a 新疆大学化学学院，碳基能源资源化学与利用国家重点实验室，乌鲁木齐 830017

^b 新疆宣东能源有限公司，哈密 963000

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2025.237129

PDF原文

Journal of Power Sources

2025年

论文亮点

通过闪速焦耳加热在20秒内制备出活性炭
通孔结构和杂原子掺杂改善了电化学性能

研究背景

全球化石燃料消耗导致自然灾害，新能源技术的开发应用尤为重要
超级电容器因其长循环稳定性在电化学中占据重要地位，但传统高温热处理AC方法耗时耗能且易破坏孔结构
孔结构是影响活性炭基超级电容器性能的关键参数，但比表面积增大会增加离子传输阻力

研究方法

氧化煤制备：将10g煤与180mL H₂SO₄和60mL HNO₃混合搅拌12小时，用去离子水洗涤三次，得到氧化煤(OC)。

TF-AC制备：将0.2g OC和0.2g KOH研磨混合，在管式炉中加热至1000°C并保持2小时，加热速率5K/min。用1M HCl和蒸馏水洗涤，命名为TF-AC。

FJH-AC-X制备：将0.2g OC与不同质量KOH(0.1, 0.2, 0.3g)研磨混合。使用焦耳加热，电压40V，电流300A，加热速率200°C/s，设定温度1000°C。洗涤方法与TF-AC相同。样品命名为FJH-AC-X，其中X表示OC与KOH的质量比。

主要结论

通过闪速焦耳加热法在20秒内成功制备了具有通孔结构的活性炭，缩短了电解质离子的传输距离
快速活化过程有助于防止KOH对杂原子的蚀刻，使杂原子含量高于管式炉样品，增加了赝电容
电极材料在1A g⁻¹下表现出313.7F g⁻¹的高比电容，对称超级电容器在6M KOH中经过10000次循环后电容保持率为99.8%

结果与讨论：材料制备与表征

图1: FJH-AC-2的形成示意图

通过混合酸处理成功将N、O原子和含氧官能团引入碳骨架和大分子结构侧链中。闪速焦耳加热以200K/s的速率加热，KOH与OC快速反应形成独特结构。快速冷却过程保留了这些特定形态。

结果与讨论：形貌分析

图2: (a)不同KOH比例下闪速焦耳加热过程中孔结构形成机制；(b)TF-AC的SEM图像；(c)FJH-AC-1；(d)FJH-AC-2；(e)FJH-AC-3；(f)FJH-AC-2的TEM图像；(g)C、O和N的元素分布图

管式炉制备的TF-AC表面相对粗糙，3D结构被破坏，未形成特定形状。FJH-AC-1由许多颗粒组成。随着KOH比例增加，KOH液滴尺寸变大，形成的孔隙尺寸增加，导致FJH-AC-2形成通孔结构。TEM显示FJH-AC-2中存在小介孔和微孔，无明显碳晶格条纹，表明其以无定形碳形式存在。

结果与讨论：结构与成分分析

图3: (a)TF-AC和FJH-AC-X的XRD图谱；(b)拉曼光谱；(c)FJH-AC-2的N₂吸附-脱附等温线和孔径分布曲线；(d)水合离子去溶剂化示意图；(e)TF-AC和FJH-AC-2的水接触角；(f)Cls、(g)N1s、(h)O1s XPS光谱

XRD显示TF-AC和FJH-AC-X在23°和44°附近出现两个宽峰，对应碳材料的(002)和(100)晶面。拉曼光谱显示D带和G带，ID/IG值表明FJH-AC-2具有更高的孔隙丰富度。N₂吸附-脱附等温线显示所有样品呈现I型和IV型复合曲线，表明存在大量微孔和介孔。FJH-AC-2具有更高含量的超微孔(<0.7nm)，与溶剂化离子尺寸更匹配。

结果与讨论：电化学性能

图4: TF-AC和FJH-AC-X的三电极电化学性能：(a)1A g⁻¹电流密度下的GCD曲线；(b)50mV s⁻¹扫描速率下的CV曲线；(c)Nyquist图；(d)样品的Bode图；(e)所有样品的倍率性能；(f)不同电流密度下的GCD曲线和(g)FJH-AC-2在不同扫描速率下的CV曲线；(h)3mV s⁻¹下的电容贡献和(i)FJH-AC-2在不同扫描速率下的电容贡献比

TF-AC、FJH-AC-1、FJH-AC-2和FJH-AC-3的比电容分别为140.8、226.0、313.7和247.7F g⁻¹。FJH-AC-2表现出最佳电化学性能。Nyquist图显示FJH-AC-2的Rs(0.42Ω)和Rct(0.22Ω)最小，因为通孔结构有利于电解质离子传输。

结果与讨论：器件性能

图5: TF-AC和FJH-AC-X在不同电解液中的两电极系统电化学性能：(a)6M KOH电解液中组装超级电容器示意图；(b)TF-AC和FJH-AC-X在1A g⁻¹下的GCD曲线和(c)6M KOH电解液中50mV s⁻¹下测量的CV曲线；(d)FJH-AC-2在6M KOH中5A g⁻¹下的循环稳定性；(e)不同电流密度下的GCD曲线和(f)FJH-AC-2在1M TEATFB/AN电解液中不同扫描速率下的CV曲线；(g)FJH-AC-2电容器的Ragone图

在1A g⁻¹下，TF-AC、FJH-AC-1、FJH-AC-2和FJH-AC-3的电化学性能分别为30.1、50.7、107.8和83.7F g⁻¹。FJH-AC-2电极表现出最长的放电时间和最佳电化学性能。在6M KOH中进行10000次循环测试，电极的循环保持率为99.84%。使用TEATFB/AN作为电解液组装纽扣电池，电压窗口范围高达3V，FJH-AC-2的比电容在1A g⁻¹下可达185.4F g⁻¹。