锂离子电池（LIBs）能量密度高，但Li+嵌插动力学缓慢导致功率低；超级电容器（SCs）功率密度优异但能量存储能力不足；锂离子电容器LICs 作为混合储能器件虽结合二者优势，但正负极（电池型阳极/电容型阴极）的动力学失衡、容量差异成为性能提升的关键瓶颈。

近日，韩国成均馆大学Ji Won Suk、Hyung Mo Jeong教授研究制备了一款双碳型锂离子电容器，该器件以刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维为负极、刻蚀中空碳纳米纤维为正极。刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维的表面为介孔结构，且复合有垂直排列的石墨烯片层，可实现锂离子的高效嵌插、扩散与吸附，从而赋予电极优异的容量和倍率性能。刻蚀中空碳纳米纤维由聚合物核壳纳米纤维碳化制得，具有中空纳米通道结构，比表面积高达 2884.4 m2/g，其孔结构特性适宜六氟磷酸根的吸附。这款刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维//刻蚀中空碳纳米纤维锂离子电容器的工作电压窗口宽达0.8~4.0 V，在30 A /g的大电流密度下，电池比容量可达47.9 mAh g−1。该双碳复合锂离子电容器的最高能量密度为268.5 Wh kg−1，即便在72 2 kW kg−1的超高功率密度下，能量密度仍能保持在115.0 Wh kg−1。此外，该器件还展现出优异的循环稳定性，经过 12000 次充放电循环后，电容保留率仍超过 84.4%。本研究证实了通过定制化设计碳纳米纤维的微观结构，其在高性能储能领域具有广阔的应用潜力。相关研究成果以“Tailoring 3D Carbon Nanofiber Architectures for Enhanced Li+/PF6− Storage in Dual-Carbon Electrodes of High-Performance Lithium-Ion Capacitors”为题目，发表在期刊《Advanced Fiber Materials》上。

图 1 锂离子电容器用碳纳米纤维基负、正极的设计与制备。a 以聚丙烯腈为前驱体制备负极刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维（eVG@CNFs）和正极刻蚀中空碳纳米纤维（ehCNFs）的工艺示意图；b 刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维的SEM图像；c 刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维负极的锂离子存储机制示意图；d 刻蚀中空碳纳米纤维的SEM图像；e 刻蚀中空碳纳米纤维正极的PF 6− 存储机制示意图。

电极材料的合成

该研究以聚丙烯腈（PAN）为核心前驱体，通过单轴/同轴静电纺丝、碳化、气相沉积及刻蚀处理，分别制备负极刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维（eVG@CNFs）和正极刻蚀中空碳纳米纤维（ehCNFs）。

eVG@CNFs 负极：经 PAN 静电纺丝、NH₃碳化、CH₄/H₂气相沉积垂直石墨烯（VG）、再次 NH₃刻蚀制备，VG 片为多层石墨烯（层间距 0.342nm），与氮掺杂介孔 CNF 基底结合，形成高导电 3D 网络，同时提供Li+嵌插的石墨化通道和吸附的介孔活性位点。

ehCNFs 正极：经 PMMA/PAN 同轴静电纺丝、NH₃碳化刻蚀制备，碳化温度 1050℃的ehCNF-1050因强刻蚀效应形成更发达的中空通道和介孔结构，其孔尺寸（2-4nm）适配PF6−吸附的理论最小尺寸（~2.18nm），为阴离子存储和扩散提供了高效路径。

图 2 刻蚀碳纳米纤维与刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维的微观结构与孔结构表征。a、b eCNFs的TEM图像（a 低倍、b 高倍）；c、d eVG@CNFs的TEM图像（c 低倍、d 高倍）；e 刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维中垂直石墨烯片层的HR-TEM图像；f 刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维中介孔碳纳米纤维表面的HR-TEM图像；g 刻蚀碳纳米纤维与刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维的拟合拉曼光谱图；h 刻蚀碳纳米纤维与刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维的孔径分布及孔体积对比图。

图 3 刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维与刻蚀碳纳米纤维负极材料的电化学性能。

图 4 850℃与 1050℃碳化制备的刻蚀中空碳纳米纤维的微观结构与孔结构表征；a、b ehCNF-850的TEM图像（a 低倍、b 高倍）；c、d ehCNF-1050的TEM图像（c 低倍、d 高倍）；e ehCNF-850 与 ehCNF-1050 的氮气吸附 - 脱附等温线图；f ehCNF-850 与 ehCNF-1050 的孔径分布及孔体积对比图；g ehCNF-850 与 ehCNF-1050 的拟合拉曼光谱图。

图 5 刻蚀中空碳纳米纤维正极材料的电化学性能。a 不同扫描速率下 ehCNF-1050 的CV曲线；b 50 mVs-1扫描速率下ehCNF-1050 循环伏安曲线中的电容控制贡献区域；c ehCNF-1050 在不同扫描速率下电容控制与扩散控制的电荷存储贡献占比定量分析；d 不同电流密度下 ehCNF-1050 的恒流充放电曲线；e ehCNF-1050 与 ehCNF-850 的比电容随电流密度的变化对比；f ehCNF-1050 中PF6−的扩散与存储动力学示意图；g 2 A g-1电流密度下 ehCNF-1050 的循环性能。

eVG@CNF//ehCNF 全电池的电化学性能

全电池组装：对 eVG@CNFs 负极进行12h 直接接触预锂化（开路电压稳定在 2.89V，初始库伦效率 97.6%），以预锂化 eVG@CNFs 为负极、ehCNF-1050 为正极，按0.345 的质量比匹配电荷，工作电压窗口设为0.8–4.0 V（避免副反应）。

核心电化学性能：

倍率性能：0.2A g-1下比电容 520.5 F g-1，下比容量 47.9mA h g-1，CV 曲线呈准矩形且无明显畸变，GCD 曲线对称线性，表明正负极动力学高度匹配；

能量/功率密度：实现最高 268.5Wh k g-1的能量密度，且在72kW k g-1的超高功率密度下仍保持115.0Wh k g-1，性能优于已报道的碳基 LICs；

循环稳定性：2A g -1 下12000 次充放电循环后电容保留率超 84.4%，前期因电活化电容提升至 104.2%；循环后电极结构无明显退化，性能衰减主要源于 SEI 层生长而非材料本征降解。

图 6 基于刻蚀垂直石墨烯生长碳纳米纤维负极与刻蚀中空碳纳米纤维- 1050 正极的混合型锂离子电容器全电池电化学性能。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-026-00685-3