基于高比電容和高能量密度的中空多孔碳納米纖維電極的先進超級電容器

DOI: 10.1021/acsami.9b19977 

通過對電紡SiCNO纖維的NaOH活化，隨后進行碳化處理，制備出具有分層多孔殼的中空碳納米纖維。通過調節碳化溫度，制備出具有不同BET比表面積和總孔徑的多孔中空碳納米纖維，并將其作為超級電容器的電極材料。結果表明，當碳化溫度為800℃時，所得產品（HCF800）具有最高的BET比表面積為2628.10 m2/g，最大的孔體積為2.32 cm3/g，表現出最佳的超級電容性能。在三電極系統中的電化學結果表明，當放電電流密度為1 A/g時，HCF800的比容量高達330.11 F/g，當電流密度達到20 A/g時，HCF800的比容量仍保持為原來的65.3%。此外，在兩電極系統中，HCF800在電流密度為1 A/g時表現出259.86 F/g的出色比電容，10000次循環后的比容量保持率為95.3%，循環穩定性極好，在1.0 A/g時的能量密度為12.99 Wh/kg。重要的是，這種中空多孔碳納米纖維的超級電容器性能也優于許多先前報道的碳材料，事實證明，該材料是高性能電極材料的理想選擇。

圖1.樣品SiCNO、HCF600、HCF700、HCF800和HCF900的化學相分析：X射線衍射（XRD）圖（a）和拉曼光譜（b）。

圖2.（a-d）不同放大倍數下HCF800活化產物的典型SEM圖像。（a）中的插圖為樣品HCF800的纖維直徑分布；（e）活化產物的氮氣吸附和解吸等溫線； （f）活化產物的BJH孔徑分布。

圖3.（a-b）單個HCF800光纖在不同放大率下的典型TEM圖像；（c）從a部分中A標記區域記錄的典型SAED模式；（d）從b部分中B標記區域記錄的典型HRTEM圖像；（e）從d部分中C標記區域記錄的放大HRTEM圖像；（f）HCF800的XPS全掃描光譜；（g）C 1s的高分辨率光譜。

圖4.使用三電極系統的所有活化產物的電化學性能：（a）樣品HCF800在不同掃描速率下的CV曲線；（b）所有活化產物在50mV/s掃描速率下的CV曲線；（c）HCF800在不同電流密度下的GCD曲線；（d）相對于HCF800和對照樣品的比電容的變化。

圖5.采用雙電極系統的HCF800的電化學性能：（a）不同掃描速率下的CV曲線；（b）不同電流密度下的GCD曲線；（c）奈奎斯特曲線；（d）10000次循環期間，電流密度為6 A/g時的循環穩定性。

圖6.HCF800和其他報道的碳基器件的Ragone圖。