DOI: 10.1021/acsaem.1c01790

在不损失重量电容和循环性能的情况下实现碳基电极材料的高体积电容以满足下一代超级电容器的需求仍然是一个巨大的挑战。在这项工作中，研究者通过静电纺丝和碳化两步工艺制备了四种杂原子（N、P、O和S）掺杂的碳纳米纤维（CNF）垫。通过改变聚丙烯腈（PAN）前体溶液中l-半胱氨酸与五氧化二钾的质量比，优化了所制备的掺杂CNFs的表面孔隙率、质量密度和掺杂密度。利用各种光谱技术系统地研究了所制备的NPOS-CNFs碳晶格中不同杂原子物种的结构。优化的NPOS-CNF 12纳米纤维由l-半胱氨酸/P2O5质量比为1:2的PAN前驱体制备而成，其具有高比表面积（502.5m2/g）、高介孔体积（1.561cm3/g）、高质量密度（1.07g/cm3）和最高含量（10.34atom%）的活性杂原子物种，如吡咯N、吡啶N、C=O、C-S和C3-PO物种。由于这些独特的特性，NPOS-CNF 12在6M KOH电解液中于0.2A/g电流密度下显示出625.8F/cm3的超高体积电容，以及较高的重量电容（584.8F/g）和良好的循环稳定性（10000次循环后的电容保留率为93.5%）。组装后，NPOS-CNF 12//NPOS-CNF 12超级电容器在1M Na2SO4电解质中于105W/kg功率密度下的重量能量密度高达102.6Wh/kg，宽电位窗口为0-1.8V。

图1.（a）原始CNF垫和不同配方NPOS-CNF垫的拉曼光谱和（b）XRD图谱。（c）不同掺杂碳纳米纤维垫的FTIR光谱。

图2.（a）XPS全扫描光谱。（b）N1s、（c）P2p、（d）S2p和（e）O1s的高分辨率光谱以及所制备NPOS-CNF 12垫的拟合峰。（f）掺杂碳骨架中存在的N、P、O和S物种的示意图模型。

图3.原始CNF垫（a）、NPOS-CNF 11垫（b）、NPOS-CNF 12垫（c，d）和NPOS-CNF 13垫（e，f）的SEM图像。插图显示了相应CNFs的冷冻断裂表面和纤维表面。NPOS-CNF 12的TEM图像以及NPOS-CNF 12中C、N、O、P和S的元素映射（g，h）。

图4.（a）原始CNF垫和不同配方NPOS-CNFs的氮气吸附/解吸等温线，（b）孔径分布曲线。

图5.原始CNF、镍箔和不同配方NPOS-CNFs在6M KOH电解质中的电化学性能：（a）扫描速率为0.2mV/s时的CV曲线；（b）NPOS-CNF 12和（c）NPOS-CNF 13在不同扫描速率下的CV曲线；（d）电流密度为0.2A/g时的GCD曲线；（e）NPOS-CNF 12和（f）NPOS-CNF 13在不同电流密度下的GCD曲线。

图6.原始CNF和不同配方NPOS-CNFs的（a）比电容和（b）体积电容随电流密度的变化，（c）通过Dunn方法分析NPOS-CNF 12在10mV/s时的电容贡献。

图7.（a）不同配方NPOS-CNFs在1A/g下的循环性能。（b）NPOS-CNF 12电极在不同弯曲角度下的CV曲线。（c）原始CNF和不同NPOS-CNFs的EIS曲线以及等效电路模型。（d）NPOS-CNF 12电极在不同充放电循环期间的EIS曲线。

图8.NPOS-CNF//NPOS-CNF 12超级电容器在Na2SO4电解质中的电化学性能：（a）不同电位窗口下的CV曲线；（b）不同扫描速率下的CV曲线；（c）不同电流密度下的GCD曲线；（d）重量和体积电容随电流密度的变化。

图9.（a）不同配方NPOS-CNFs在KOH电解质中的Ragone图，以及（b）不同电解质中NPOS-CNF//NPOS-CNF 12超级电容器与之前报道的基于各种掺杂碳电极的对称超级电容器的Ragone比较。

图10.纯CNF和不同NPOS-CNF垫的应力应变行为。