具有高功率密度的超級電容器一直備受關注。其中，碳基材料是一種重要的超級電容器電極材料。碳纖維布(CFC)作為碳材料的一種，具有高導電性、高機械強度、良好的柔性、無毒無污染和可大量制備等諸多優點。
然而，商業碳纖維布的比表面積較低，能量密度較低，所以碳纖維布一般用作襯底材料而不直接作為電極活性材料。目前針對碳布的研究主要集中在通過不同的活化方法提高碳纖維布的容量。
成果展示 近日，吉林大學張偉教授和鄭偉濤教授研究團隊在Journal of Energy Chemistry上發表題為“Optimizing the micropore-to-mesopore ratio of carbon-fiber-cloth creates record-high specific capacitance”的文章。該工作利用一步空氣退火的方法直接活化碳纖維布，使其容量高達1324mF/cm2,并且通過調節實驗條件得到具有不同多級孔結構的碳纖維布，進一步探究了多級孔結構對超級電容器電容性能的影響。該工作指出比表面積和微孔與介孔體積比例共同決定碳纖維布本身的容量，對進一步理解多級孔與電容關系，建立確定的多級孔與電容關系模型具有重要的參考價值。 圖文導讀 CFC在不同溫度下直接退火可以得到具有多孔結構的活化碳纖維布分別記為XCFC(X為退火溫度)。 隨著退火溫度的逐漸升高CFC的形貌發生改變，表面孔結構逐漸增多。拉曼成像和二次電子顯微像(RISE)可以直觀的觀察到CFC表面的石墨化程度。紅色、藍色、綠色分別代表高-G/D、中- G/D，和低- G/D 區域。退火溫度逐漸升高，高-G/D區域逐漸消失，整體更加趨于非石墨化。 電化學測試表明活化后的CFC電容明顯提高。比表面積測試證明475CFC具有最大的比表面積為875 m2/g，但是450CFC在2mA/cm2的電流密度下具有最高的比電容高達1324mF/cm2,在1 M KOH電解液中進行測試。為了探究這一反常現象，進行了更詳細的多級孔結構分析。隨著退火溫度的升高CFC中的微孔和介孔體積逐漸增大，但是微孔與介孔體積的比值卻是逐漸減小。 當電解液離子進入到介孔中在孔壁內形成雙電層繼續進入到微孔中時，由于微孔與介孔體積之比變小，增加電解液離子進入微孔中的阻力，發生堵塞情況，進而孔壁的利用率下降，窄區間慢掃速的方法進一步證實了450CFC具有的這種多級孔結構能夠提供更多的電化學活性表面積(EASA)。該工作證明對于比電容的提高不僅要考慮多級孔體積的影響，也要重點考慮微孔與介孔體積之比的影響。 小結 該工作證明了退火過程能夠成功活化碳纖維布使其直接作為超級電容器電極的活性材料。并且深入分析比表面積，微孔介孔體積以及微孔與介孔體積之比與電解液離子的相互作用關系對整體電容性能的影響。對進一步建立完善多級孔結構與電解液離子相互作用模型具有重要意義。 文章信息 J Energy Chem
