随着可持续能源和可再生能源的迅速发展，超级电容器（SCs）以其高功率、快速充放电、长寿命、高安全性和高可靠性等特点而在众多储能器件中脱颖而出。作为双电层电容（EDLC）电极的碳纳米材料[例如，活性碳，多孔碳，碳化物衍生的碳，碳纳米纤维，碳纳米管和石墨烯]也因其良好的结构特征和性能(例如高化学稳定性，高孔隙率，大比表面积（SSA）和高电导率)而受到了广泛的研究。在所有的碳纳米材料中，活性炭仍然占据着商业市场的主导地位。然而，目前常用的活性炭基SCs的能量密度（<10 Wh·kg-1）和稳定性仍不理想。在实际应用中，人们迫切希望在不牺牲功率性能和循环稳定性的前提下，开发出更高比电容的碳材料。
鉴于此，来自于湖南大学陈鼎教授、宁波工程学院杨为佑研究员开发了一种简便且可持续的方法，借助Zn-1,3,5-苯三甲酸（Zn-BTC）作为软模板将细菌纤维素（BC）碳化最终得到具有三维（3D）互连纳米纤维网络的多层多孔碳气凝胶。在这个制备过程中，作者使用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）来氧化细菌纤维素，以提供均匀分散且具有高密度羧基的纤维素纳米纤维（TOCN）。该研究以题为“High energy density and extremely stable supercapacitors based on carbon aerogels with 100% capacitance retention up to 65,000 cycles” 的论文发表在最新一期《PNAS》上。文章亮点：(1) 经过气化/蒸发刻蚀的过程，所合成的TOCN与Zn-BTC中的Zn2+离子具有很强的亲和力。此外，所制备的碳气凝胶也具有预期的分级多孔结构，在没有引入的金属/非金属杂原子的情况下，增加了孔径、比表面积和适当的缺陷。(2) 为了证明该气凝胶的实用性，作者进行了电化学测试，与TOCN衍生碳（178 F·g-1）和大多数报道的活性炭相比（通常低于250 F·g-1），该气凝胶可以提供更高的比电容（1 A·g-1、6 M KOH时为352 F·g-1）。而且，组装成对称的SC在1 A·g-1电流密度下也具有高达约297 F·g-1的高比电容。(3) 组成的器件也分别具有显著的能量和功率密度(14.83 Wh·kg-1,24.35 kW kg-1)。更重要的是，它们具有极强的稳定性，在高达65000个循环后电容保持率仍为100%，比目前以商业活性炭和生物质衍生类似物组成的商业超级电容器性能都要高。
图1 制备碳气凝胶的示意图
图2 电化学性能的测试
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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