面向高性能高稳定宽温超级电容器应用的 单晶一体化4H-SiC纳米孔阵列电极

【研究背景】

超级电容器(超电)具有高功率密度、快能量充放速度和长使用寿命，越来越受到人们的青睐，广泛应用于能量存储与转换领域。而面向宽温应用的超级电容器，无法避免地面临两大问题，亟待研究和解决：

(1) 在高温条件下，电解质强对流将造成电极材料结构退化和破坏；

(2) 在宽温应用环境下，由于活性物质和集流体之间热膨胀系数的差异，将导致活性物质和集流体间开裂，从而导致超电性能下降甚至失效。因此，电极材料的选择和结构的设计，对于超电的宽温运行至关重要。

【成果简介】

近期，宁波工程学院杨为佑教授、吉林大学纪媛教授及武汉理工大学麦立强教授(共同通讯作者)等人在Materials Horizons上发表了题为“Single-crystalline Integrated 4H-SiC Nanochannel Array Electrode: toward High-performance Capacitive Energy Storage for Robust Wide-temperature Operation”的论文，李维俊和刘乔博士为该论文共同第一作者。作者通过对传统阳极氧化法的改进，即引入预刻蚀工艺，解决了传统阳极氧化法所制备的SiC纳米阵列结构顶部通常存在帽层结构问题，进而实现了具有全开放孔结构的4H-SiC纳米孔阵列电极设计和制备。研究表明，该电极在10 mV/s的扫速下，比电容可达14.8 mF cm^-2；在室温条件下循环10000次，比电容保留率为96%；在-10℃、60℃、-10℃与60℃交替变换等苛刻服役条件下循环11000次，其比电容保留率分别可达97.3%、96.8%、95.5%，展现出良好的宽温服役稳定性。

【图文导读】

图1.两步阳极氧化法制备具有全开孔结构的SiC纳米孔阵列流程示意图。

图2. 所制备的SiC纳米孔阵列显微结构，表明纳米孔阵列结构具有全开放的有序孔结构，有利于电解液的充分浸入：(a-c) 俯视图，(d-e) 截面图。

图3. 常温下SiC纳米孔阵列电极的电化学性能：(a) 不同扫速下的CV曲线；(b) 比电容和放电电流随扫速的变化曲线；(c) 不同电流密度下的恒电流充放电曲线；(d) 比电容随电流密度变化曲线。

图4. (a) 扫速为100 mV s^-1时SiC纳米孔阵列电极的第1次和第10000次循环的CV曲线图；(b) 扫速为100 mV s^-1时SiC纳米孔阵列电极的循环稳定性曲线；(c) SiC纳米孔阵列电极的Nyquist图；(d) SiC纳米孔阵列电极的bode图。

图5. (a) SiC纳米孔阵列电极在不同工作温度条件下的CV曲线。(b) SiC纳米孔阵列电极在不同工作温度条件下GCD曲线。(c) 比电容随扫速变化曲线，嵌入图为所设计的活性物质和集流体单晶一体化设计图。(d-f) 电极在-10℃，60℃，-10℃和60℃交替变化的服役条件下的循环稳定性。

【小结】

本文通过两步阳极氧化法，实现了全开孔4H-SiC纳米孔阵列的单晶一体化电极研发。该电极拥有系列优异的电化学特性，如高的比电容、优异的倍率性能、快速响应和良好的循环稳定性。本工作挖掘和利用了第三代半导体SiC材料优异物理特性(提高电极材料抗电解质强对流的能力)，并提出了电极材料中活性物质与集流体单晶一体化的设计和制备方案(解决活性物质从集流体剥离的问题)，有望为面向高性能高稳定的宽温超级电容器研发，提供新的思路。

文章链接：

Single-crystalline Integrated 4H-SiC Nanochannel Array Electrode: toward High-performance Capacitive Energy Storage for Robust Wide-temperature Operation，http://dx.doi.org/10.1039/C8MH00474A

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 麦立强团队

主编 | 张哲旭

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