一、    研究背景

电化学电容器因优异的倍率性能和长使用寿命，被认为是最有发展潜力的储能器件之一，但低体积能量密度限制了其应用。电极材料的体积比容量通常是电化学电容器体积能量密度的决定性因素，因此，电极材料体积比容量的提升成为电化学电容器未来应用的关键。毛细致密化可平衡多孔炭密度和孔隙率，从而提高材料体积比电容，但仍需要精细调控孔结构，以达到最优地提高比容量的效果。

二、          工作简介

该研究提出了利用碘化钾辅助的毛细致密化策略，通过在石墨烯中预载碘化钾来控制毛细致密化过程，从而有效调控多孔炭的孔结构。电化学结果表明，碘化钾不仅增加了材料离子可达表面积，还可贡献赝电容，提升了电极材料的比电容。

三、    核心图文解析

图1碘化钾/石墨烯材料的制备与孔隙调控作用

图1a为碘化钾/石墨烯（KIG）材料的制备路线示意图。在水热后真空干燥过程中，石墨烯在水溶剂挥发所产生的毛细作用力下收缩。碘化钾随溶剂水的减少而析出，并形成晶体，抑制孔隙的收缩。因此，可通过控制水热前驱体中碘化钾的用量来控制最终样品的孔径大小及孔径分布，从而平衡KIG的密度与质量比电容。图1b统计了不同KI加入量（浓度分别为0、12.5、25、37.5 mmol mL）所制样品的孔径小于或大于5 nm孔的孔容比例。孔径小于5 nm孔的比例大小关系为：WG > WKIG-12.5 > WKIG-25 > WKIG-37.5；孔径大于5 nm孔的比例大小关系与前者相反。图1b结果进一步量化了碘化钾在毛细致密化过程中的孔隙调控作用，其主要抑制了孔径大于5 nm的孔转变为孔径小于5 nm孔的趋势。图1c比较了不同样品的氮气等温吸附曲线，氮气吸附量随KI加入量的增加而依次减小，中压区“回滞环”逐渐扩大，说明KI的存在有效抑制了毛细致密化过程中的中、大孔向微孔的转变。

                   图2 KIG电化学电容器的电化学性能

图2a比较了不同样品在1 A g^-1恒流充放电测试过程中，所展现的质量比容量和体积比容量。KIG-25的质量比容量和体积比容量分别达到120 F g^-1和115 F cm^-3，远高于石墨烯（74.1 F g^-1和46 F cm^-3），同时也高于KIG-12.5和KIG-37.5的体积比电容。结合物性表征的结果可知，较少的碘化钾会限制对石墨烯孔结构的优化和赝电容增强效果；而过多的碘化钾会产生团聚现象发生，降低材料的体积密度并使碘化钾在材料表面析出。图2b为KIG电化学电容器的能量密度-功率密度关系图，其体积功率密度为57.3 W L^-1时，体积能量密度可达19.6 Wh L^-1，明显高于薄膜锂离子电池和商用电化学电容器。

四、    结论

利用氧化还原电解质调控石墨烯毛细致密化过程，制备出了具有高体积比电容和体积能量密度的碘化钾增强石墨烯材料。在石墨烯水凝胶的网络中预载碘化钾可以控制毛细蒸发过程中的孔结构演化，增加孔径大于5 nm的中孔比例。预载的碘化钾可以作为载流子提升材料的离子可及表面积，促进电荷的输运过程，从而提高倍率性能，也可作为活性物质，提供额外的赝电容量。所制材料的振实密度可达0.96 g cm^-3，在离子液体电解液中的体积比电容高达115 F cm^-3。利用该材料所组装的电化学电容器的体积能量密度可以达到19.6 Wh L^-1，8000次循环后仍具有92.4%的容量保持率。此工作为制备高体积能量密度的电极材料提供了新思路。 

New Carbon Materials 文章信息

罗明宇, 徐若谷, 石颖, 王宇作, 李峰. 碘化钾调控孔结构的石墨烯及其电化学电容器应用. 新型炭材料（中英文）, 2023, 38(2): 317-326.

LUO Ming-yu, XU Ruo-gu, SHI Ying, WANG Yu-zuo, LI Feng. Graphene with the KI-modified pore structure and its electrochemical capacitor application. New Carbon Mater., 2023, 38(2): 317-326.

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