【背景】

Super-C45作为一种商用导电碳，具有高导电性、高导热性、高氧化稳定性、低密度等特点，广泛应用于导电塑料、导电橡胶、导电油墨、导电助剂等领域。特别是对于储能器件来说，Super-C45的引入可以充分的发挥其功率特性。但其轻的振实密度（0.16 g cm-3）和易团聚的缺点从本质上延长了电解质离子的传输路径，以及占用了活性电极的体积，严重限制了高体积性能超级电容器的应用。相比商业化Super-C45，导电生物质炭具有更高的振实密度。通常，石墨微晶的重排和生长将极大地限制π电子的快速运动。为此，通常采用高温热解和前驱体预处理的方法来提高导电生物质炭的石墨化程度。对于前者，炭化温度的升高有利于提升石墨化微晶的占比，提高无序涡轮层状纳米畴的有序度，但高温石墨化处理会严重降低导电生物质炭的产率和密度。而对于后者，蒸汽爆炸作为最常用的前驱体预处理方法，可以通过蒸汽爆破促进物料的化学分解、机械分裂和结构重排来实现原料的分离和结构变化，但会引起纤维素晶体的物理爆炸。因此，本文提出的毛细蒸发策略不仅可以解决实现石墨化微晶的调控，而且拥有高的振实密度。

【工作介绍】

近日，西南交通大学材料学院杨维清教授课题组在碳纳米材料的设计方面取得新的进展，相关成果以标题为“Capillary evaporation on high-dense conductive ramie carbon for assisting highly volumetric-performance supercapacitors”发表在国际期刊Small上（DOI: 10.1002/smll.202303349）。西南交通大学博士研究生王庆为本论文的第一作者。在这篇工作中，作者采用过氧甲酸分子温和的去除天然苎麻中的木质素和半纤维素，实现高纤维素含量（95.37%）前驱体的制备。暴露的纤维素链含有丰富的羟基，可以吸收大量的水分子。在随后的毛细蒸发过程中，水分子会从纤维素分子内部逐渐蒸发到表面，纳米纤维素束之间的毛细力会使其聚集，达到致密化。纤维素分子上丰富的羟基可以促进氢键的形成，增加分子间的作用力。因此，毛细蒸发策略实际上调控地是羟基之间相互作用形成的氢键网络。经过高温热解，高度有序的苎麻前驱体中的碳原子会发生有序重排形成大量的C=C键，进而促进类石墨微晶的形成。本工作设计的高致密苎麻导电炭有以下优点：

（1）高密度苎麻导电炭的引入可以有效地提高活性物质的占比；

（2）在压力为92.04 MPa的条件下，苎麻导电炭拥有高的电导率为94.55 S cm-¹；

（3）在压力为92.04 MPa的条件下，苎麻导电炭拥有高的压实密度为1.09 cm³ g^-1；

（4）苎麻导电炭拥有高的比表面积为219.50 m² g^-1。

（5）苎麻导电炭拥有高的孔体积为0.11 cm³ g^-1。

【要点】

一、本工作制备的高致密苎麻导电炭成功解决了商业化导电炭黑振实密度低和石墨化材料孔体积低的问题，有望成为储能器件的导电添加剂。

二、在屈服强度为92.04 MPa时，拥有丰富石墨微晶的苎麻导电炭可实现94.55 S cm^-1的高电导率，有效促进π电子的快速运动，高于商业化的Super-C45 (83.92 S cm-1, 92.04 MPa)。

三、基于苎麻导电炭的对称超级电容器在体积功率密度为25.87 kW L^-1时具有较高的体积能量密度为9.01 Wh L^-1，高于商业化的Super-C45 (5.06 Wh L^-1和19.30 kW L^-1)。

四、用于软包超级电容器的应用，301.99 F超级电容器具有10.27 mA的低漏电流和3.93 mΩ的低ESR，表明苎麻导电炭作为导电添加剂有助于提高超级电容器的电化学稳定性。

 图1 高致密导电苎麻炭结构设计

图2 高致密导电苎麻炭的形成过程和形貌

图3 高致密导电苎麻炭的物理性质

图4 不同导电网络的高致密导电苎麻炭的构建

图5 高致密导电苎麻炭的本征属性

图6 高致密导电苎麻炭基扣式超级电容器的电化学性能

图7 高致密导电苎麻炭基软包超级电容器的电化学性能

 【小结】  

在本工作中，作者展示了高致密苎麻导电炭的形成机理及应用，调控纤维素分子上丰富的羟基作用力和热解温度可实现类石墨微晶的控制，进而有助于缩短电荷的传导路径和提升离子的传输效率。尤其应用于软包超级电容器中，器件仍然可以展现出低的漏电流和低的内阻展现出优异的功率特性。而且研究者相信，此项研究提出的毛细蒸发策略将为生物质中纤维素分子的致密化调控提供借鉴意义，另一方面将会促进高体积储能器件的发展。

【团队介绍】   

杨维清教授，西南交通大学前沿科学研究院院长，四川省第十二届政协委员，四川省杰出青年，2011年获得四川大学博士学位，2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学院从事博士后，2014年4月引进到西南交通大学材料学院教授博导，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计200余篇，其中影响因子IF>10论文60余篇，ESI高被引论文20篇，引用1万余次(Google Scholar)。主持军委科技重点项目、国家自然基金、四川省杰出青年基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。获得中央军委科技委举办第二届“源创杯”创新创意大赛优胜奖并获得重点项目奖励（全国50名，四川省首次获得该奖）。已授权专利25项,已转化20项，转化经费3000余万。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。也是Newscientists（科技媒体世界排名第一，见百度）首次报道西南交通大学的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上，受到国务院副总理刘延东、中科院院长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价，受邀参加中国国际广播电台名人坊节目专访。

课题组网站：https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm

文章来源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202303349