河北大学：基于生物质杂原子掺杂多孔碳材料的微型超级电容器

成果简介

便携式和可穿戴电子设备的普及增加了对快速、低成本和可扩展的微型超级电容器（MSC）生产的需求。然而，二维的合成材料并且报道的MSCs的制备是相当耗时且复杂的过程。本文：河北大学Zhangyi Xiong等研究人员在《Energy Fuels》期刊发表名为“Printable High-Voltage Integrated Microsupercapacitors Based on Heteroatom-Doped Porous Biomass Carbon”的论文，研究以木质素磺酸钠和三聚氰胺海绵作为前体，基于氮硫共掺杂分级多孔碳（KNSC）的可加工丝网印刷油墨，开发了可印刷高压集成MSC，具有理想的灵活性、形状多样性以及可定制的电压和电容输出。

制备的 N,S 掺杂碳(KNSC) 具有1323–2116m2 ·g –1的可调比表面积、分级多孔结构和优异的导电性，并提供 481F·g–1的高比电容。在KNSC墨水和丝网印刷技术的基础上，我们还可以轻松地将其扩展到在目标基板上以串行和并行方式连接的成百上千个 MSC的构件。作为概念证明，由此产生的条纹集成了具有11个串联电池和3个并联模式的复杂连接方式的 MSC，呈现出创纪录的8.8V电压输出和 102.7mF·cm –2 的出色面积电容，这可以有效地点亮一个白色发光二极管。

图文导读

图1. N，S-共掺杂分级多孔碳及印刷MSC制备示意图。

图2. (a) NSC-700-3 和 KNSC-700-m 的XRD谱。

(b) NSC-700-3 和 KNSC-700-m 的拉曼光谱。

(c) NSC-700-3 和 KNSC-700-m 的N2吸附-解吸等温线。

(d) 相应的孔径材料分布.

(e) NSC-700-3 和 KNSC-700-3 的 XPS N 1s 光谱。

(f) NSC-700-3 和 KNSC-700-3 的 XPS S 2p 光谱。

图3. 在 1 MH2SO 4电解质中测试的不同KNSC的电化学性能。

图4. (a) 基于 KNSC-700-3 的对称超级电容器的 CV 曲线。(b) 在各种电流密度下测试的 GCD 曲线。(c) 对称超级电容器在 2 A·g –1 时的循环稳定性。

图5. 通过在 PET 薄膜上丝网印刷制造的叉指集成 MSC 的电化学性能。

图6. 通过丝网印刷在 PET 薄膜上制成的串联 IMSC 的超高电压输出

小结

木质素磺酸钠衍生碳将为MSC的低成本和可扩展制备提供许多的机会和前景，MSC作为独立的微型储能设备，为可穿戴和智能微电子、微型传感器、重型电动汽车和工业电源管理提供动力。

文献：

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c02573