高度弯曲的”多尺度还原氧化石墨烯”结构

澳大利亚莫纳什大学团队开发出高度弯曲的”多尺度还原氧化石墨烯”结构，通过快速热退火工艺显著提升比表面积，使超级电容器兼具高功率密度（69.2千瓦/升）和高能量密度（99.5瓦时/升），突破传统碳基器件性能瓶颈‌。该材料利用天然石墨制备，具备快速充电能力和循环稳定性，为电气化交通和电网储能提供新方案。

超级电容器是一种以静电方式储存电荷的新型储能装置，其工作原理不同于依赖化学反应的电池。然而长期以来，该类器件面临一个关键瓶颈问题：碳材料中可用于储存能量的表面积比例过低。

研究团队发现，只需调整材料的热处理方式，就能显著提高其可利用的表面积。这一进展使得制造出既能快速充电、又可储存大量能量的超级电容器成为可能，从而使其能在众多应用中替代电池，并实现更高效的能量传输。

这项突破的核心在于一种名为“多尺度还原氧化石墨烯”的新型材料结构。研究团队使用澳大利亚丰富的天然石墨，通过快速热退火工艺，形成了一种高度弯曲的石墨烯结构，为离子提供了高效迁移的路径，最终使材料同时具备高功率和高能量密度——这一组合在单一器件中极为罕见。

能量密度指单位体积或质量所能储存的能量，功率密度则指单位体积或质量所能输出的最大功率。在电池设计中，二者往往难以兼顾，提高能量密度通常导致功率密度下降，反之亦然。

研究人员将该材料组装成超级电容器，测试结果显示，其能量密度高达99.5瓦小时/升，功率密度达69.2千瓦/升，同时具备快速充电能力和优异的循环稳定性。这些性能指标在碳基超级电容器中位居前列，且该制备工艺具备可扩展性。

图1. 示意图突出显示了层状、无序和多尺度石墨烯之间的差异，并具有 M-rGO 的形态特征。

图2. D-rGO 和 M-rGO 之间的物理化学差异以及本研究中使用的软包电池原型的制造工艺。

图3. 进行 e-IE 之前和之后 M-rGO 袋式电池设备的材料级电化学性能。

图4. 设备级电化学性能。

图5. 老化对电极表面形貌的影响。

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