江苏师范大学Advanced Science:快速焦耳热构筑碳壳封装非对称超级电容器,105.6 Wh kg-¹、25000 次循环保持 93.7%
1. 背景非对称超级电容器ASC通过匹配正、负极不同电位窗口有望在保持高功率输出的同时提升能量密度然而赝电容材料虽然容量高却常受限于反应动力学迟缓、循环结构衰退和严重自放电。碳壳封装被认为是解决这一矛盾的有效策略碳层既可提升电子传输和界面稳定性又能保护活性核心并调控电解液离子吸附。但传统热处理难以兼顾碳层厚度、石墨化程度和核心材料稳定性如何可控制备“薄、导电、稳定”的碳壳成为关键问题。2. 论文概要2026年6月18日江苏师范大学李笑笑、林雨潇、赵新生团队在Advanced Science期刊发表题为“Controllable Carbon Shell Encapsulation via Rapid Joule Heating Calcination for High-Performance Asymmetric Supercapacitor With Suppressed Self-Discharge and Robust Cycling Stability”的研究论文。该研究提出“电沉积聚合物前驱体 低温退火 快速焦耳热煅烧”的可控碳壳封装策略在碳布CF上分别构筑 H-Fe3O4C-15 负极和 H-NiCo2S4C-40 正极并组装 H-Fe3O4C-15//H-NiCo2S4C-40 水系ASC。器件在 749 W kg-1 下达到 105.6 Wh kg-1 的最高能量密度在 20 A g-1 下循环 25000 次后容量保持率为 93.7%开路电压从 1.48 V 衰减至 0.75 V 需要 31102 s。DFT 计算表明碳壳与 K/OH- 之间更高的吸附能和电荷转移能力是抑制自放电的重要来源。3. 图文解读示意图 1. H-NiCo2S4C 正极与 H-Fe3O4C 负极的制备流程示意图 1 展示了整体材料设计先在碳布上原位生长 NiCo2S4 纳米线和 Fe3O4 纳米棒再经电沉积聚合物前驱体和低温退火得到初始碳包覆结构随后分别对 NiCo2S4C 与 Fe3O4C 进行 4 s 和 5 s 的快速焦耳热高温冲击。由于温度和时间可通过电源电流调节这一步相当于用极短热历史提升碳层局域石墨化程度同时降低长时煅烧带来的核壳界面副反应风险最终获得兼具高容量核心、导电碳壳和自支撑集流体的一体化电极。图 1. Fe3O4 负极的碳壳结构、物相与表面化学图 1 证明 H-Fe3O4C-15 成功形成约 6 nm 短程有序碳壳且 Fe3O4 核心物相未被快速焦耳热破坏。Raman 中 ID/IG 为 0.96说明碳壳兼具无序碳与局域石墨化结构XPS 显示碳含量增加、N 掺杂进入碳层、氧缺陷比例降低表明碳壳表面更洁净且具备更好的导电和界面调控能力。图 2. H-Fe3O4C 负极的电化学与自放电性能图 2 显示 H-Fe3O4C-15 是最佳负极其在 1 A g-1 下比电容达 493 F g-1约为纯 Fe3O4 的 3 倍内阻降至 0.82 Ω界面电阻为 0.68 Ω20 A g-1 循环 20000 次后保持 99.8%。自放电测试中其开路电位从 -1.0 V 衰减至 -0.5 V 需 9055 s为纯 Fe3O4 的 4.5 倍说明碳壳显著增强 K 界面吸附稳定性。图 3. NiCo2S4 正极的碳壳结构、物相与界面化学图 3 表明 H-NiCo2S4C-40 保持 NiCo2S4 纳米线形貌和物相同时形成短程有序碳壳。XPS 中 Ni2/Ni3 与 Co2/Co3 比例升高说明碳壳参与界面还原S 2p 中新出现 C-S-C 峰且 S-O 峰消失意味着更稳定的核壳界面和更少表面副反应位点有利于电子传输和开路状态下抑制离子脱附。图 4. H-NiCo2S4C 正极的电化学与自放电性能图 4 给出正极性能优化结果H-NiCo2S4C-40 在 1 A g-1 下比电容达到 1501 F g-1明显高于纯 NiCo2S4 的 1028 F g-1内阻和界面电阻分别降至 0.76 Ω 和 0.44 Ω20 A g-1 下仍保留 84% 初始电容。自放电方面电位从 0.5 V 衰减至 0.25 V 需约 41993 s稳态漏电流仅 95 μA说明碳壳同样增强了 OH- 界面结合并降低副反应。图 5. H-Fe3O4C-15//H-NiCo2S4C-40 全器件性能图 5 证明正、负极匹配后可稳定工作至 1.5 VCV 峰位随扫描速率变化较小、GCD 曲线接近对称说明全器件反应动力学快且可逆性好。该 ASC 在 1 A g-1 下比电容为 338 F g-1在 749 W kg-1 下能量密度达 105.6 Wh kg-1即使功率密度升至 14.9 kW kg-1 仍有 46.9 Wh kg-125000 次循环后保持 93.7%远优于未包覆 Fe3O4//NiCo2S4 器件。图 6. 全器件自放电行为与 DFT 吸附机理图 6 揭示了自放电抑制机制碳壳封装 ASC 的稳态漏电流为 76 μA显著低于未包覆器件的 370 μA开路电压从 1.48 V 衰减到 0.75 V 需 31102 s而未包覆器件从 1.34 V 到 0.75 V 仅需 1607 s。DFT 进一步显示无定形碳对 K 和 OH- 的吸附能分别为 -3.335 eV 和 -6.136 eV明显强于 Fe3O4 与 NiCo2S4 表面说明碳壳通过“强结合界面 较少副反应”稳定吸附离子并延缓电压衰减。4. 总结展望这项工作把快速焦耳热煅烧用于碳壳封装质量调控实现了碳壳厚度、局域石墨化、核壳界面和离子吸附行为的协同优化从而同时提升 ASC 的能量密度、循环寿命和抗自放电能力。其价值不仅在于获得 105.6 Wh kg-1、25000 次循环保持 93.7% 等器件指标更在于提出了一种可迁移的界面工程范式用快速热冲击构筑稳定碳壳将赝电容材料的高容量优势与碳材料的导电、保护和离子吸附优势结合。未来若能进一步验证大面积电极一致性、柔性/准固态体系适配性以及长期浮充工况下的自放电稳定性该策略有望拓展至更多金属氧化物、硫化物和氮化物赝电容体系。参考论文Qiang Zhou, Zheng Yang, Zhen Cao, Xulan Zheng, Xiao Yan, Yunsong Li, Xinsheng Zhao, Yuxiao Lin, Xiaoxiao Li. Controllable Carbon Shell Encapsulation via Rapid Joule Heating Calcination for High-Performance Asymmetric Supercapacitor With Suppressed Self-Discharge and Robust Cycling Stability.Advanced Materials, 2026. DIO: https://doi.org/10.1002/advs.76184

相关新闻

GitHub开源深度评测|10天斩获2.2万星!xAI grok-build:Rust全屏TUI编码Agent工程全景解析

GitHub开源深度评测|10天斩获2.2万星!xAI grok-build:Rust全屏TUI编码Agent工程全景解析

GitHub开源深度评测|10天斩获2.2万星!xAI grok-build:Rust全屏TUI编码Agent工程全景解析 项目星级:22.2k Stars(10天极速爆火) 项目归属:xAI 官方开源编码智能体项目 核心定位:Rust …

2026/7/25 19:15:12 阅读更多 →
在Taotoken模型广场根据场景与预算选择合适的AI模型

在Taotoken模型广场根据场景与预算选择合适的AI模型

在Taotoken模型广场根据场景与预算选择合适的AI模型 面对市场上众多的AI模型,开发者和团队在项目启动时常常面临一个核心问题:如何在有限的预算和明确的技术要求下,选择一个合适的模型?直接逐一研究各个厂商的定价、性能参数和接…

2026/7/25 19:15:12 阅读更多 →
终极Windows部署革命:一键搞定TPM限制与多语言安装的完整指南

终极Windows部署革命:一键搞定TPM限制与多语言安装的完整指南

终极Windows部署革命:一键搞定TPM限制与多语言安装的完整指南 【免费下载链接】MediaCreationTool.bat Universal MCT wrapper script for all Windows 10/11 versions from 1507 to 21H2! 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/me/MediaCreationTool.bat …

2026/7/25 19:15:12 阅读更多 →

最新新闻

通过Taotoken用量看板分析蓝桥杯备赛期间的大模型资源消耗规律

通过Taotoken用量看板分析蓝桥杯备赛期间的大模型资源消耗规律

通过Taotoken用量看板分析蓝桥杯备赛期间的大模型资源消耗规律 1. 背景与需求 在准备蓝桥杯嵌入式方向比赛的一个月时间里,我频繁地使用大模型来辅助学习。从理解复杂的微控制器外设工作原理,到调试实时操作系统(RTOS)任务调度&…

2026/7/25 19:23:15 阅读更多 →
从 “盲调” 到 “精准优化”:SQL Server 表统计信息实战指南

从 “盲调” 到 “精准优化”:SQL Server 表统计信息实战指南

从“盲调”到“精准优化”:SQL Server 表统计信息实战指南 在数据库性能优化的世界里,很多开发者习惯于“盲调”——看到查询慢就盲目加索引、改代码,却忽略了最基础也最关键的一环:统计信息。统计信息是查询优化器(Qu…

2026/7/25 19:23:15 阅读更多 →
AI毕业设计选题指南:深度学习与NLP实战方向

AI毕业设计选题指南:深度学习与NLP实战方向

1. 项目背景与选题价值毕业设计是每位计算机专业学生的重要里程碑,而选题往往是最令人头疼的环节。作为一名指导过多届毕业设计的导师,我见过太多学生在选题阶段浪费大量时间,最终仓促决定导致后续进展不顺。特别是在人工智能领域&#xff0c…

2026/7/25 19:23:14 阅读更多 →
BUUCTF-babyheap_ctf_题解(含详细过程与思路分析)

BUUCTF-babyheap_ctf_题解(含详细过程与思路分析)

BUUCTF-babyheap_ctf_题解(含详细过程与思路分析) 前言:堆漏洞与CTF实战在CTF(Capture The Flag)比赛中,PWN类题目常常考察选手对二进制漏洞的深入理解,其中堆相关漏洞是高频考点。BUUCTF上的ba…

2026/7/25 19:23:14 阅读更多 →
DeepSeek API调用优化:避免Token浪费的配置与代码实践

DeepSeek API调用优化:避免Token浪费的配置与代码实践

1. 先搞清楚“烧Token”到底是怎么回事 如果你在用 Codex 这类工具接入 DeepSeek 的 API,发现 Token 消耗速度远超预期,或者账单突然飙升,那这篇文章就是为你写的。这不是简单的“用得多”,而是配置或使用方式上存在误区,导致大量 Token 在你不注意的地方被浪费了。 “烧…

2026/7/25 19:23:14 阅读更多 →
MagicX AI智能补全:从语义理解到工程实践的完整指南

MagicX AI智能补全:从语义理解到工程实践的完整指南

你有没有遇到过这样的场景:用户在你的网站表单里输入了一半就放弃了,或者搜索时因为输入困难而直接离开?传统的关键词补全只能基于前缀匹配,但用户真正的意图往往藏在那些未完成的输入中。MagicX AI Autocomplete 的出现&#xff…

2026/7/25 19:22:14 阅读更多 →

日新闻

突破文档下载限制:kill-doc让你看到的都能保存

突破文档下载限制:kill-doc让你看到的都能保存

突破文档下载限制:kill-doc让你看到的都能保存 【免费下载链接】kill-doc 看到经常有小伙伴们需要下载一些免费文档,但是相关网站浏览体验不好各种广告,各种登录验证,需要很多步骤才能下载文档,该脚本就是为了解决您的…

2026/7/25 0:00:35 阅读更多 →
C++ string类模拟实现:从深拷贝到内存管理的完整指南

C++ string类模拟实现:从深拷贝到内存管理的完整指南

1. 项目概述:为什么我们要“手撕”string类?在C的学习道路上,尤其是从C语言过渡到C的“初阶”阶段,string类绝对是一个绕不开的核心。标准库里的std::string用起来太方便了,、find、substr,几个操作符和函数…

2026/7/25 0:00:35 阅读更多 →
三角洲寻宝鼠工具:高效文件搜索与资源管理实战指南

三角洲寻宝鼠工具:高效文件搜索与资源管理实战指南

1. 先搞清楚“三角洲寻宝鼠”到底是什么工具从名称来看,“三角洲寻宝鼠”更像是一个资源查找或文件检索类工具,而不是游戏或娱乐软件。这类工具的核心价值在于帮助用户快速定位特定资源,比如文档、图片、压缩包或特定格式的文件。如果你经常需…

2026/7/25 0:00:35 阅读更多 →

周新闻

Go语言静态资源打包方案对比与实践指南

Go语言静态资源打包方案对比与实践指南

1. 项目背景与核心需求在Go语言开发中,我们经常需要处理静态资源文件的打包问题。无论是Web应用的模板文件、前端资源,还是配置文件、证书等,都需要随程序一起分发。传统做法是将这些文件与编译后的二进制文件放在同一目录下,但这…

2026/7/25 5:08:22 阅读更多 →
Go语言实现高性能LDAP认证服务的架构与实践

Go语言实现高性能LDAP认证服务的架构与实践

1. 项目背景与核心价值LDAP(轻量级目录访问协议)作为企业级身份认证的黄金标准,已经服务了超过80%的财富500强公司。我在金融科技领域实施统一认证体系时,发现传统Java方案存在启动慢、内存占用高等痛点。而Go语言凭借其协程并发模…

2026/7/25 5:13:53 阅读更多 →
【AI面试官实战指南】:用ChatGPT模拟10类高频技术岗面试,3天提升应答精准度92%

【AI面试官实战指南】:用ChatGPT模拟10类高频技术岗面试,3天提升应答精准度92%

更多请点击: https://intelliparadigm.com 第一章:AI面试官实战指南的核心价值与适用场景 AI面试官并非替代人类HR的“黑箱工具”,而是以可解释、可审计、可迭代的方式,赋能招聘全链路的关键基础设施。其核心价值在于将主观经验沉…

2026/7/24 18:52:18 阅读更多 →

月新闻