【前沿技术】印度研究中心：双功能多孔石墨烯碳纳米复合电极，用于前所未有的高压超级电容器，具有**的倍率能力

利用从生物质中提取的有机电解质的超级电容器由于能量密度低而面临重大挑战，这是其工作电压窗口（2.7-3.0 V）有限的结果。这一局限性限制了它们在电动汽车等高性能储能应用中的实用性。研究人员采用先进的技术，通过严格的干燥工艺精心控制水污染，并结合超疏水功能，可以提高基于有机电解质的超级电容器的性能和耐用性。为了应对这些挑战，本文，印度研究中心（ARCI）K.K.Phani Kumar、Shanmugasundaram Sakthivel等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Dual functional superhydrophobic and superorganophilic porous graphene carbon nanocomposite electrodes for Unprecedented High-Voltage supercapacitor with superior rate capability”的论文，研究提出了一种突破性的方法，其特点是将具有超疏水和超亲有机特性的双功能多孔石墨烯碳纳米复合电极与TEABF4- 乙腈电解质配对使用。这一创新设计将工作电压大幅提高到3.4V。
这种多孔石墨烯纳米复合材料是通过水热法和 KOH 活化法持续生产出来的，具有很高的表面积（2100 m2/g）和双模孔径分布。这种优化的结构增强了润湿性，有利于离子的快速传输，即使在电压升高的情况下也能提供**的速率能力。非对称超级电容器设计解决了离子尺寸的差异，促进了离子的高效传输和快速扩散。这一进步使多孔石墨烯碳纳米复合材料（PGCN）的重力能量密度比商用 YP-50F 电极显著提高了 33%。为了进一步探索多孔电极内的离子行为和扩散情况，我们进行了奈奎斯特图分析，结果表明与 YP-50F（∼2.29 × 10-10 cm2/s）相比，PGCN 的离子扩散系数 (D) 明显更高（∼3.31 × 10-8 cm2/s）。这一重大改进归功于 PGCN 碳表面特殊的超亲有机性。这项开创性的研究为超级电容器技术建立了一个新的范例，使设备具有更宽的工作电压，适合高压储能应用，包括电动汽车和其他要求苛刻的系统。

2图文导读

图1.通过水热、连续碳化和活化过程合成具有不同形态的碳材料的过程示意图。

图2.合成碳材料样品的 XRD 图谱

图3.所得样品的拉曼光谱。

图4.（a-d）合成的多孔石墨烯碳纳米复合材料在不同放大倍率下的 TEM 图像。

图5. Cyclic voltammetry (CV) profiles obtained for the asymmetric supercapacitor configuration: (a) Different scanning rate and (b) Different voltage window at 20 mVs⁻¹ scan rate.

图6. Cyclic voltammetry (CV) profiles obtained for the asymmetric supercapacitor configuration at various operating voltages.

图7、 (a-d) GCD profiles obtained from 2.7 V to 3.4 V at various current densities ranging from 0.5 A g⁻¹ to 20 A g^−1.

图8. Capacitance retention of PGCN with various applied voltage window.

图9. Schematic representation for facilitating rapid electrolyte infiltration and diffusion within the porous structure: (a) Feasible mechanism of rapid ion transport within the superorganophilic electrode, (b) EIS of PGCN supercapacitor electrode compared with commercial YP-50F electrode.

这项研究提出了一种突破性的方法，利用从生物质中提取的有机电解质来克服传统超级电容器的局限性。这些装置通常受限于工作电压窗口（2.7-3.0 V），无法提供电动汽车（EV）所需的高性能储能。我们引入了一种新颖的策略，以实现能量密度的显著飞跃。我们的方法以开发双功能超疏水性和超亲有机多孔碳电极为核心，为超级电容器的正负极精心设计了孔结构。这一创新设计加上战略性地选择乙腈中的 TEABF4 作为有机电解质，成功地将工作电压扩展到了令人印象深刻的3.4V。与传统的生物质超级电容器相比，这是一项重大进步。通过采用水热法合成碳电极，进一步确保了可持续性和成本效益。该技术提供了一种可扩展且对环境负责的方法，用于生产具有双模式孔径分布的高比表面积活性碳。这种优化的孔隙结构与电极的超疏水性和超亲水性相结合，促进了装置内离子的高效传输。即使在20Ag-1 的电流密度下，也能实现**的速率能力。超级电容器电**有3.4V的高电位窗口，具有出色的体积和重力储能能力。该装置的重力能量密度高达44.12 Wh kg-1，令人称道。此外，该电极还具有出色的稳定性，在3.4V电压下经过 15,000 次严格的充放电循环后，电容保持率仍高达 96%。

电化学阻抗谱（EIS）显示，多孔石墨烯碳纳米复合材料（PGCN）电极内的离子扩散显著增强。通过奈奎斯特图分析，确定了电解质的离子扩散系数 (DDD)，发现 PGCN 的离子扩散系数约为3.31 × 10-8 m2/s。这大大高于在商用 YP-50F 电极中观察到的扩散系数，后者约为 2.29 × 10-10 m2/s，与传统材料相比增加了两个数量级。PGCN 中**的离子扩散性能可归因于其独特的超亲有机表面特性和优化的多孔结构。离子扩散性能的显著改善不仅强调了 PGCN 在提高电化学性能方面的功效，还凸显了其在推动储能技术发展方面的潜力。研究结果表明，定制电极材料的表面和结构特性可在实现**的离子传输方面发挥关键作用，这对于高性能超级电容器至关重要。这项突破性研究为新一代超级电容器铺平了道路。通过实现更宽的工作电压窗口，同时保持优异的性能和稳定性，这些器件在电动汽车和其他高电压要求的应用中具有巨大的实际应用潜力。利用可持续和具有成本效益的可扩展合成方法，进一步增强了这项技术的吸引力，使其成为推进高性能储能解决方案的领跑者。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162859