蘇州納米所邸江濤研究員等在高性能柔性儲能器件領域取得新進展

  近日,中科院蘇州納米所邸江濤研究員等與佐治亞理工學院Ching-ping Wong教授合作,設計並制備了鋅摻雜氧化銅納米線(Zn-CuO)三維陣列結構,爲電化學活性物質MnO2提供導電支架,獲得高負載的MnO2納米片材料。將生長在銅線表面的Zn-CuO@MnO2材料用于同軸非對稱纖維型超級電容器正極材料,獲得了高的比容量及寬的工作電壓窗口。相關成果以Atomic Modulation 3D Conductive Frameworks Boosts Performance of MnO2 for Coaxial Fiber-Shaped Supercapacitors”爲題發表在期刊Nano-Micro Letters2021, 13, 4。论文第一作者为苏州纳米所助理研究員王晓娜博士,通讯作者为邸江涛研究員李清文研究員及Ching-ping Wong教授。 

  同軸非對稱纖維型器件具有體積小便攜工作窗口大等優勢被認爲在未來柔性可穿戴及微型的電子器件領域具有廣闊的應用前景。然而目前,同軸非對稱纖維器件仍然存在能量密度低,電極材料及結構設計的局限性等問題限制其進一步應用。二氧化錳由于其高的理論容量、低成本、低毒性和環境友好等特性被認爲是優異的電化學活性材料。然而二氧化錳材料低的導電性和易于團聚的問題導致了其有限的比容量和功率密度。 

  为了解决以上问题,中科院苏州纳米所李清文研究員团队与佐治亚理工学院Ching-ping Wong教授團隊合作設計並制備了Zn-CuO@MnO2納米線陣列電極。並使用Zn0.11CuO@MnO2作爲核電極(正極),生長在碳納米管薄膜上的VN納米線陣列作爲負極包覆在核電極表面組裝同軸非對稱超級電容器。 

         1. A-F)同轴非对称超级电容器制备示意圖。(G) 同轴非对称超级电容器截面示意圖。 

  Zn-CuO納米線通過一步法原位生長在銅線表面,爲MnO2提供導電支架和沈積基底。Zn摻雜進入CuO晶格提高了CuO的導電性,改進了MnO2納米片在電化學反應過程中與導電基底之間有效的電子傳輸。同時,與其他導電支架比較,Zn-CuO納米線也爲複合電極貢獻了部分容量。通過摻雜不同含量的Zn,最後獲得導電性和比容量最佳的Zn0.11CuO納米線材料。它能夠負載MnO2的質量高達12.4 mg/cm2,使得電極也獲得了高的面積比容量(4.26 F/cm2)。 

        2. A-B)CuO, CuO@MnO2, Zn0.11CuO and Zn0.11CuO@MnO2电极电化学充放电曲线及比容量与压降圖。(CMnO2負載量與沈積時間的關系。(D-EZn0.11CuO@MnO2電極在不同MnO2負載量時面積和質量比容量的關系。(FZn0.11CuO@MnO2電極循環穩定性。 

  這個同軸非對稱器件的工作電壓能夠達到1.8 V,比容量爲296.6 mF/cm2,能量密度爲133.5 mWh/cm2 (功率密度爲0.9 mW/cm2)。值得關注的是,與其他同軸非對稱超級電容器比較,本工作中制備的器件的能量密度和功率密度明顯優于其他同類器件。爲了進一步驗證其在可穿戴柔性器件領域的應用,我們也考察了同軸非對稱超級電容器在不同彎曲條件下的電化學穩定性。結果顯示在不同的彎曲條件下,器件充放電曲線沒有明顯變化,說明其在外力形變狀態下,具有較好的電化學穩定性及循環穩定性。同時這種同軸非對稱超級電容器也能點亮一個2VLED小燈泡並能維持60s。本項工作的發表爲纖維型儲能器件在柔性可穿戴領域的發展提供了進一步的可能性。  

         3 (A) 同轴非对称超级电容器在不同弯曲状态下的光学圖片。 (B) 1-3彎曲狀態下,同軸非對稱超級電容器的充放電曲線。 (C) 90度弯曲状态下,器件的充放电循环测试。(D)同轴非对称超级电容器在便攜式可穿戴领域展示出潜在的应用前景。


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