一种获取超级电容器碳电极材料的有效方法

1成果简介

煤焦油（CT）因其延展性及高碳含量，具有作为碳材料前驱体的应用潜力。然而，其较低的碳化率严重制约了发展进程。本文，新疆大学吴雪岩 教授、郭继玺 教授、南京航空航天大学 张校刚 教授等在《Energy&Environmental Materials》期刊发表名为“Synthesis of Coal Tar-Based Hypercrosslinked Polymers via Friedel-Crafts Alkylation: An Efficient Way to Access Carbon Electrode Material for Supercapacitors”的论文，研究通过Friedel-Crafts烷基化反应，将煤焦油转化为微孔碳材料（CF2CT），显著提升了碳化产率（达68%）。

在无活化剂条件下，CF2CT展现出766 m² g⁻¹的比表面积和0.32 cm³ g⁻¹的微孔体积，孔径主要集中在0.5-0.8 nm区间。在三电极体系中，CF2CT于1 A g⁻¹条件下展现出342 F g⁻¹的优异质量比电容，且在10 A g⁻¹循环条件下经10,000次循环后电容保持率达98%。采用CF2CT制备的对称超级电容器展现出7.8 Wh kg⁻¹的能量密度和250 W kg⁻¹的功率密度，在10 A g⁻¹条件下经10,000次循环后电容值仍保持100%。本研究提出了一种从煤焦油制备高产率碳前驱体的方案，同时为超级电容器电极提供了具有前景的HCP衍生的碳材料。

2图文导读

图1、The preparation process of CF2CT.

图2、a) SEM image of CF2CT, b, c) TEM image and SAED pattern of CF2CT; d) N2 adsorption–desorption isotherm of CF2CT (the insert is the distribution of pore size); e) Thermogravimetric analysis of FCT and CT; f) FTIR spectra of CT, FCT, and CF2CT; g) Crosslinking and carbonization formation mechanism.

图3、The N2 sorption isotherms of a) CF1CT, b) CF2CT, and c) CF3CT (insert: pore size distributions); d) XPS spectra; e) oxygen functional group distributions; f) FT-IR spectrum; g) XRD patterns; h) Raman patterns; and i) contact angle.

图4、Electrochemical characterization tested of CFxCT three-electrode system: a) CV sweeps under 100 mV s−1, b) GCD sweeps under 1 A g−1, c) Current density-dependent capacitance, d) Nyquist plots with equivalent circuit, e) Bode plots, f) CV sweeps under 5–100 mV s−1, g) GCD sweeps at 1–20 A g−1, h) Percent capacitive contribution under 10 mV s−1, i) Diffusion/capacitive ratios under varying sweeps 5–100 mV s−1.

图5、Electrochemical characterization tested of CF2CT symmetric electrodes: a) Architecture of the CF2CT//CF2CT coin-cell assembly, b) CV sweeps under 5–100 mV s−1, c) GCD sweeps under 0.5–10 A g−1. d) Ragone plots, e) Cycling stability tested at 10 A g−1 (10 000 cycles), f) Schematic illustration of CF2CT//CF2CT in a symmetrical flexible configuration.

3小结

综上所述，本文提出了一种通过Friedel-Crafts烷基化反应的简便高效技术，用于合成超级电容器用无序微孔碳电极材料。实现该电极材料商业化应用的关键在于：选用廉价且碳收率高的碳酐作为前驱体，并采用弗里德尔-克拉夫茨烷基化反应促进HCPs合成。所制备的HCPs既能在无活化剂条件下形成微孔结构，又能在碳化过程中抑制碳酐挥发/重构，从而在保持结构无序性的同时实现高碳收率（68%）。无序微孔结构的优势使电解质离子存储效率显著提升，在10 A g⁻¹条件下经10,000次循环后仍保持342Fg⁻¹的可逆电化学性能及98%的容量保持率，远超煤基碳材料表现。本研究方法突破了CT碳化后碳收率低的问题，所制备的碳电极材料有望实现超越现有商业水平的高能量密度、高性价比超级电容器。除CT外，生物油、沥青质、煤液化等含芳香族碳的前驱体均可通过此便捷策略提升碳收率与材料无序度。

文献：

https://doi.org/10.1002/eem2.70161

来源：材料分析与应用