DOI: 10.1007/s40820-020-00524-z

钾离子混合电容器（PIHCs）由于其能量和功率密度较高，在中、大型存储系统中具有广阔的应用前景。但是，将K+插入碳酸盐负极是一个缓慢的反应过程，而阴离子在正极表面的吸附则相对较快，因此无法利用高能量的优势。为了获得高性能的PIHC，关键在于提高负极材料中K+的嵌入/脱嵌，从而设计出与负极相匹配的正极材料。在这项研究中，作者提出了一种简便的“同源策略”，以构建适用于高性能PIHCs的负极和正极，首先通过静电纺丝制备出独特的多通道碳纤维（MCCF）基负极和正极材料，然后再分别进行硫掺杂和KOH活化处理。由于在硫掺杂多通道碳纤维（S-MCCF）复合材料中引入硫的多通道结构具有较大的层间距，其作为钾离子电池负极材料时显示出高容量、超高倍率性能和较长的循环稳定性。活性多通道碳纤维（aMCCF）的正极复合材料具有高达1445 m2 g-1的比表面积，以及出色的电容特性。尤其是，得益于采用同源策略制备的S-MCCF负极和aMCCF正极的优势，使用独特的MCCF基负极和正极组装的PIHCs具有出色的电化学性能，可提供较高的能量和功率密度（在200 W kg-1时达到100 Wh kg-1，在10,000 W kg-1时达到58.3 Wh kg-1），同时显示出优异的循环稳定性（在1.0 A g-1下的7000次循环中，容量保持率为90％）。MCCF基PIHC电极复合材料具有优良的电化学性能和简单的构造，对碱性离子电池和电容器应用的深入研究具有重要意义。

图1.用于制备S-MCCF负极和aMCCF正极的方法示意图，以及S-MCCF//aMCCF双碳PIHC的构造。S-MCCF负极和aMCCF正极的表征：S-MCCF（b）和aMCCF（c）的SEM图像，S-MCCF（d）和aMCCF（e）的TEM图像，（f）S-MCCF的TEM图像和（g）对应元素在纤维中的分布

图2.S-MCCF和aMCCF的表征：（a）X射线衍射图，（b）拉曼光谱，（c）N2吸附-解吸等温曲线，（d）孔径分布，（e）对应于S-MCCF的XPS全扫描光谱以及（f）N 1s和（g）S 2p高分辨率光谱。（h）S-MCCF的原子结构示意图

图3.PIBs中S-MCCF的电化学性质：（a）在0.1 mV s-1扫描速率下的循环伏安曲线，（b）在50 mA g-1下进行前三个循环的恒电流充/放电曲线，（c）在不同电流密度下的倍率性能测试（不包括在50 mA g-1的小电流密度下的第一个循环数据），（d）S-MCCF与其他碳质电极相比的倍率性能以及（e）在1000 mA g-1下的长期循环特性（不包括第一个循环的数据）。S-MCCF的K+存储机理的电化学动力学分析：（f）不同扫描速率下的循环伏安曲线，（g）b值的测定以及（h）在0.1至10 mV s-1的扫描速率下电容和扩散电容的贡献比

图4.（a）aMCCF的原子结构示意图。aMCCF电极相对于PIBs的电化学性能：（b）在5-50 mV s-1扫描速率下的CV曲线，（c）在0.2-6 A g-1电流密度下的充电/放电曲线，（d）aMCCF的容量与电流密度之间的关系图，以及（e）在2000 mA g-1下的长期循环特性（不包括第一个循环的数据）

图5.（a）S-MCCF//aMCCF PIHC充电过程的示意图。PIHC的性能（m负极:m正极=1:2）：（b）不同扫描速率下的CV曲线。（c）不同电流密度下的充电/放电曲线。（d）具有三种质量比的PIHC的能量密度与功率密度的Ragone图。（e）与已报道的SIHC和PIHC相比，最佳S-MCCF//aMCCF PIHC（质量比为1:2）的Ragone图。（f）合成PIHC在1000 mA g-1下的循环稳定性，插图显示了由PIHC驱动的LED面板的照片图像