高比表面积碳材料双电层电容的限制因素

Specific surface area of carbon material is a key factor for improving the energy density of a electric-double layer capacitor (EDLC). However, the area normalized capacitance decreases with the increase of specific surface area, yielding a smaller capacitance than expected. Therefore, understanding the capacitance limits for high surface area carbon material is essential for improving the device energy density, though it is not clear yet due to the various morphologies, structures and allotropes exist in carbon powder that generally used for study.We propose that the electronic structure of carbon material changes with the increase of specific surface area, which dominates the area normalized capacitance. Monolayer graphene film obtained by chemical vapor deposition on copper will be used for this study to obtain a carbon electrode with controllable specific surface area and electronic structure (density of states, charge carrier density), thus, to avoid the errors that occur when measuring with carbon powder. By exploring the relationship between surface area, electronic structure and electric double-layer capacitance, we expect to find the key factors that limit the capacitance of carbon material with high surface area for improving the energy density of EDLC.

提高碳材料的比表面积是提升双电层电容器能量密度的重要手段，然而，与此同时单位面积双电层电容的降低导致电容器能量密度无法有效提高，从而限制了双电层电容器的应用领域。因此，深入理解限制高比表面积碳材料双电层电容的关键因素，是进一步优化设计碳材料提高双电层电容器能量密度的关键。然而由于碳材料结构、形态多样，导致采用常规的粉末材料进行研究相对困难。申请人在单层石墨烯晶体薄膜研究和碳材料电化学性能优化的基础上，在此提出：碳材料比表面积的提高所引发的电子结构的改变会极大地影响单位面积双电层电容的大小。申请人拟将以单层石墨烯晶体薄膜为研究对象，以获得具有结构简单、比表面积和电子结构（电子态密度、载流子浓度）可控的碳电极，克服对粉末材料测量中所存在的不确定因素，探索碳材料电子结构对双电层电容的影响，为设计制备碳电极材料开拓新的思路。

本项目按照计划执行。主要研究目标是理解高比表面积碳材料电子结构对双电层电容的影响规律，归纳出限制碳电极双电层电容的主要因素，通过碳电极结构调控提升电极双电层电容的途径与机制，为设计具有高比电容石墨烯电极提供理论和实验依据。在项目的资助下，我们在如下几个方面取得了一些重要进展：1）发现石墨烯材料较低的电子态密度所产生的量子电容是限制碳材料双电层电容的重要因素；2）发现石墨烯材料中结构缺陷和原子掺杂对材料电子态密度作用规律的差别；基于此，发现这两种结构因素对提升双电层电容的不同作用机制；3）实验合成了一系列具有优化结构的碳电极材料，实现双电层电容的有效提升。项目研究成果主要以学术论文形式发表。在Nature Commun., Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等学术期刊上发表论文11篇。在国内外学术会议上做与本项目相关的邀请报告8次，举办“海峡两岸电化学学术研讨会"一次。项目执行期间研究组毕业硕士研究生3名。目前在读博士研究生5人，硕士研究生5人。