石墨烯增强碳复合材料的大规模生产：面向实用软包电池锂离子电容器

锂离子电容器(LIC)作为一种有前途的储能系统，在高能量密度和功率密度储能器件方面显示出巨大的潜力。但受限于阳极倍率性能差、阴极容量不足，其性能有待进一步提升。这里，通过快速自蔓延高温合成工艺，制备了石墨烯/软碳复合材料（G/SC），和石墨烯/活性炭复合材料（G/AC），该复合物同时结合了石墨烯和碳材料的优点。对于阳极，石墨烯丰富了软碳的反应界面，改善了电化学反应动力学。因此，G/SC表现出优越的倍率性能。同时，由于优良的石墨烯网络，G/AC显示出显著增强的电导率（2941S·m-1），以及84%的出色电容量保持率。基于G/SC和G/AC的LIC显示出高的能量密度达151W h kg-1以及高功率密度（18.9 kW kg-1）。G/SC可以大规模合成，组装成大容量的LIC软包电池(1170 F或650mA·h)，表现出优异的能量密度 (基于设备的总质量)，和出色的循环性能(在10000次循环后，容量保持率为93.8%)。这项工作为超快速制造石墨烯基碳材料用于高性能锂离子电容器提供了一个通用而有效的方案。

Figure 1. 石墨烯复合材料制备示意图。（a）自蔓延高温合成工艺示意图；(b)和(c)自蔓延反应示意图；(d)使用G/SC 和 G/AC组装LIC的示意图；(e)大规模制备G/SC的照片，以及使用G/SC组装的相应大容量LIC软包电池。

Figure 2. G/SC 复合材料的形貌分析。（a-c）SEM图像；(d-f)TEM图以及HRTEM图。

Figure 3．G/AC 的SEM和TEM分析。（a-c）SEM图像；(d-f)TEM图以及HRTEM图。

Figure 4．G/AC//G/SC LICs的电化学性能。（a）具有不同阳极和阴极质量比的G/AC//G/SC LICs的倍率性能比较；（b）G/AC//G/SC LICs在不同扫描速率下的CV曲线；（c）不同电流密度下的放电曲线；（d）倍率性能比较；（e）能量密度和功率密度相关的曲线；（f）G/AC//G/SC LICs的循环性能。

Figure 5. AC//G/SC LIC的电化学性能。(a)在1–200 C的2–4 V电压范围内，AC//G/SC LIC的放电容量；(b)在1–200 C下LIC软包电池的充电和放电曲线；(d) LIC软包电池在50 C下的循环性能。

该研究工作由中国科学院电气工程研究所Yanwei Ma课题组于2021年发表在J. Mater. Chem. A期刊上。原文：A general route for the mass production of graphene-enhanced carbon composites toward practical pouch lithium-ion capacitors。