基于自蔓延高温合成的石墨烯基多级孔碳材料的导向制备及其锂离子电容器应用

Lithium-ion capacitors (LICs) rely on a high capacity battery-type anode and a high rate capacitor-type cathode working within different potential ranges, which can substantially enhance the capacity and voltage window of LIC devices and thereby exhibit promising prospects toward future applications in efficient energy storage. In this project, we propose a self-propagating high-temperature synthesis (SHS) technique to fabricate graphene-based hierarchically porous carbon materials using CO2 as carbon source. Thermodynamic theory and calculation will be employed to address such important problems in electrode materials of LICs as low electrical conductivity, poor ionic transportation and imbalanced electrode kinetics. By carefully handling the synthesis parameters, thermodynamic conditions and pre-treatment of reaction system, the controllable design and targeted preparation of carbon materials in micro-scale can be realized. The SHS reaction mechanism will systematically investigated to reveal the crucial influence porosity distribution, specific surface area and chemical composition on the of electron transport, ion diffusion and electrochemical properties of electrode materials. The relationship between electrodes, electrolyte and device performance will be explored, which serves as theoretical and technological foundations for the construction of high-performance and practical all-carbon LICs.

锂离子电容器采用高容量电池型负极材料和高倍率电容型正极材料在不同电位下工作，可显著提升器件的比容量和工作电压，在能量存储方面表现出巨大的应用潜力。本项目重点针对目前锂离子电容器电极材料普遍存在的电子输运能力低、离子导通性能差、正负极动力学失配等关键科学问题，以热力学、动力学推演为理论指导，以基于CO2转化的自蔓延高温合成为技术核心，通过改变合成参数、调控热力学、动力学条件以及对反应体系的预处理，实现石墨烯基多级孔碳电极材料在微观层面上的可控构建和导向制备。在此基础上系统深入地研究电极材料的孔径分布、比表面积、化学组成等因素对电子传导、离子扩散以及电化学性能的影响规律和调控机制，探索并阐明器件中储能电极、电解液与器件性能的内在联系，为研制出高性能、实用性强的全碳锂离子电容器提供理论指导和技术支持。

锂离子电容器采用高容量电池型负极材料和高倍率电容型正极材料在不同电位下工作，可显著提升器件的比容量和工作电压，在能量存储方面表现出巨大的应用潜力。石墨烯具有优异的光学、电学、力学和热学特性，在绿色能源存储方面具有重要的应用前景，被普遍认为是一种未来革命性的新电极材料，但是目前石墨烯电极材料在锂离子电容器中仍普遍存在电子输运能力低、离子导通性能差、正负极动力学失配等科学难题，而解决这些问题的关键在于从微观层面精准调控电极材料的结构、组成、孔径和表面化学状态。本项目以热力学、动力学计算为理论指导，以基于CO2转化的自蔓延高温合成为核心技术，通过调控合成参数、改善热力学、动力学条件以及对反应体系的预处理，在石墨烯基多级孔碳电极材料的规模化导向制备、微观结构对电极材料电化学性能的影响规律、高性能全碳锂离子电容器的制备等领域取得了一系列科研进展。.(1) 在石墨烯基多级孔碳电极材料的规模化导向制备方面，本项目开发出基于CO2转化的自蔓延高温合成技术，成功应用于建设具有完全自主知识产权的百公斤级石墨烯中试制备平台，形成了从石墨烯性能调控、规模化制备工艺研发等在内完整的技术链条。(2) 在高性能石墨烯基电容炭正极材料方面，本项目提出了基于燃烧合成的“石墨烯微观焊接”概念，产品电导率达到2836 S/m，比表面积为1850 m2/g，具有合理分布的微孔-介孔层次结构。(3) 在高电化学活性石墨烯负极材料方面，本项目通过镁在CO2气氛中的瞬间自蔓延燃烧诱发碳原子限域重排和氮原子原位掺杂，批量制备出富含氮元素的石墨烯网络，其比表面积为724 m2/g-1，电导率高达10524 S/m-1，氮含量达到4.7%，同时兼具良好的介孔结构。(4) 在高性能全碳锂离子电容器的制备方面，本项目提出了一种通用策略，制备出具有优异电化学反应界面的石墨烯/软碳复合材料，在高达4 A/g的电流密度下仍具有200 mAh/g的比容量，组装成锂离子电容器，基于电极材料质量的能量密度可达151 Wh/kg，功率密度可达 18.9 kW/kg。基于器件质量的能量密度高达31.5 Wh/kg，高于目前已商业化的锂离子电容器。