▲通讯作者：赵雷、陈刚
通讯单位：中国矿业大学
在应对气候变化加速和化石燃料持续枯竭的紧迫需求下，开发高效能源存储系统已成为全球研究的热点。超级电容器作为一种新兴的能源存储技术，因其较高的功率输出、较短的充电时间和优越的耐用性而受到广泛关注。为了实现高能量密度、长循环寿命、快速充放电速率以及良好的柔韧性/可变形性，研究者们开发了多种电极材料。特别是，活性炭布（ACC）作为一种碳质织物材料，因其高导电性、增强的比容量、强大的稳定性和机械柔韧性而在便携式电子设备中显示出巨大潜力。然而，传统的ACC激活方法，如湿化学方法（化学氧化/还原和电化学氧化）或物理/化学技术（气体辅助退火和等离子体改性），往往过程复杂、能耗高，并可能对环境和健康造成影响。因此，开发一种有效的策略来制造高性能的基于ACC的材料显得尤为重要。
2024年12月5日，中国矿业大学赵磊教授和陈刚博士在《Journal of Power Sources 》上发表了题为“Rapid Joule-heating synthesis of oxide nanoparticles on carbon cloth as electrodes for supercapacitors”的论文。本研究通过超快速高温热冲击（HTS）过程合成过渡金属氧化物（TMOs），以开发先进的超级电容器电极。与先前的方法不同，本方法直接对预处理的碳布（CC）进行电焦耳加热以实现初步激活，从而在CC上形成新的TMOs（记为PACC/TMOs），增强能量存储能力。典型的PACC/TMOs电极合成包括先用混合酸溶液处理商业CC，然后通过HTS进行快速初步激活，产生约800°C的高温，持续三个100毫秒的脉冲。在第二步中，HTS在极短的时间内（约200毫秒）产生高达1000°C的温度，整个过程仅持续100毫秒，盐前驱体在高温下分解、成核并生长成TMO纳米颗粒（NPs）。通过这种两步HTS过程（每步三个电脉冲），实现了CC/氧化物合成的操作简便性，为CC的电化学性能提升提供了一种简便、安全、环保的策略。
此外，为了证明焦耳加热方法的有效性，研究人员合成了PACC上的Co3O4 NPs作为超级电容器的电极，展现出卓越的电化学性能，具有408 mF cm−2的高比面积电容（在0.2 mA cm−2时）、在2 mA cm−2时97%的容量保持率、经过20,000次循环后的卓越稳定性以及出色的柔韧性。总体而言，这一过程为其他与CC复合的TMOs提供了一条可行的路线，为电极应用带来了明显的优势：
快速高温热冲击（HTS）合成技术：研究中利用了先进的HTS技术，通过直接焦耳加热实现碳布（CC）的快速预激活和过渡金属氧化物（TMOs）的合成。这一技术能够在约1000°C的高温下，通过三个100毫秒的脉冲迅速引入Co3O4纳米颗粒，显著加快了传统合成方法中耗时的加热和冷却过程。
卓越的电化学性能：所合成的PACC/Co3O4电极展现了出色的电化学性能，包括在0.2 mA cm^2电流密度下高达408 mF cm^2的面积比电容、在2 mA cm^2电流密度下97%的容量保持率，以及经过20,000次循环后的优异稳定性。这些性能指标显示了该电极材料在超级电容器应用中的潜力。
方法的普适性和环境友好性：HTS方法不仅适用于Co3O4，还可以扩展到其他TMOs，如MnOx，实现了在0.2 mA cm^2下约456 mF cm^2的高面积比电容。这种方法简便、安全，且环境友好，为超级电容器电极材料的合成提供了一种新的环保策略，具有规模化生产和广泛应用的潜力。
总之，本研究成功地利用高温热冲击（HTS）技术快速合成了PACC/Co3O4复合材料作为超级电容器电极。通过在HTS过程中的直接焦耳加热，Co3O4纳米颗粒（NPs）在大约1000°C的高温下通过三个100毫秒的脉冲迅速形成，盐前驱体在此过程中迅速分解形成氧化物NPs。PACC/Co3O4电极在0.2 mA cm^2的电流密度下展现出408 mF cm^2的面积比电容，并在2 mA cm^2的电流密度下保持了97%的容量，经过20,000次循环后显示出卓越的耐用性。此外，组装的全固态超级电容器（ASSSC）设备在0.2 mV s^-1的扫描速率下提供了高达48.7 mF cm^2的容量，并在不同弯曲状态下展现了稳定的性能。作为进一步的概念验证，MnOx NPs也成功地在PACC纤维上合成，实现了在0.2 mA cm^2下约456 mF cm^2的高面积比电容。报道的HTS方法可以应用于各种基于碳布的材料，为超级电容器应用提供了一种简便、安全且环保的策略。
文献信息：Gang Chen, Maotang Wang, Mingzhi Jiao, Xianglin Kong, Lei Zhao. Rapid Joule-heating synthesis of oxide nanoparticles on carbon cloth as electrodes for supercapacitors. Journal of Power Sources, Volume 629, 2025, 235963, ISSN 0378-7753. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.235963
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