Energy Storage Materials：无充电极性的柔性非对称超级电容器

Nano 7年前 (2017-10-17) 5799浏览

【引言】

超级电容器由于具有较高的功率密度和超长的循环寿命等电化学特征，成为电化学储能体系的研究前沿；特别是近年来高性能柔性非对称超级电容器（FASCs）的兴起，促进了柔性、便携、可穿戴电子设备的发展。但分析发现，所有已报道的ASCs都像二次电池一样充电时需要区分正负极，只能在一个方向上充电。在实际使用中，误用充电方向可能会严重破坏电容器的结构，通常只能通过额外的工程保护来避免。另一方面，构建ASCs所用到的诸多电极材料（赝电容或电池材料）的本征导电性较差，且电极结构中离子扩散受限，限制了ASCs的电容量和高倍率性能发挥，通常只能通过较为繁锁的物理/化学合成过程来制备复合电极一定程度上解决上述问题。因此，无论是从基础研究还是从实际应用角度考虑，设计结构简单、高性能（稳定，具有快速电荷传递动力学）的ASCs电极，构建无充电极性的非对称超级电容器器件是一件非常有意义的事情。

【成果简介】

近日，武汉理工大学刘金平教授（通讯作者）团队在Energy Storage Materials 上发文，题为“A non-polarity flexible asymmetric supercapacitor with nickel nanoparticle@carbon nanotube three-dimensional network electrodes”。研究人员设计了一种新型柔性非对称超级电容器，该FASC是采用CVD法在碳布上生长的Ni@CNT三维网状薄膜电极作为正负极，碱性水溶液作为特定电解质进行组装的，可以在不区分电极极性的情况下进行充电。在此设计中，其中一个电极上发生活化Ni纳米颗粒与OH-的氧化还原反应，而另一个电极通过CNTs与电解液表面产生的双电层进行储能，使得整个器件具有非对称性特征和1.8 V的高电压。研究人员使用PVA-KOH凝胶电解质组装成的准固态柔性器件能够提供1.39 mAh cm-3的高体积能量密度，440 mW cm-3的功率密度以及高达10000次的优良的循环性能。基于上述特殊的器件结构和储能机理，在频繁交替充电方向的情况下，此FASC展示出几乎不改变充放电曲线形状，保持良好的循环稳定性，并驱动小型电子设备运行的特征。

【图文导读】 

图1 Ni@CNT电极结构原理示意图

a) FASC器件结构和电荷存储机理示意图；

b) FASC器件不同方向充电示意图；

图2 Ni@CNT电极结构表征

a) Ni@CNT电极的SEM图像和光学图像;

b) Ni@CNT电极的TEM图像；

c) Ni@CNT电极的HRTEM图像；

d) Ni@CNT电极的XRD图谱；

图3 Ni@CNT电极及器件在不同电解液中的电化学性能

a) Ni@CNT 电极在正负电势窗口的CV曲线（10mV/s）；

b) Ni@CNT 电极分别在KOH和K2SO4溶液中的CV曲线（20mV/s）；

c) ASC 器件在KOH和K2SO4溶液中的CV曲线（50mV/s）；

d) ASC 器件在KOH和K2SO4溶液中的GCD曲线（20mA cm-2）；

图4 FASC准固态器件的电化学性能（PVA-KOH）

a) FASC器件的CV 曲线；

b) FASC器件的放电曲线；

c) 不同充电方向条件下不同电流密度对应的电容；

d) FASC器件的在不同充电方向条件下的GCD曲线；

e) FASC器件的EIS Nyquist曲线；

f) 电容电流与实际电流相比的电压分布图（50mV/s）

图5 FASC器件的循环性能及无充电极性特征

a) FASC器件在频繁转换充电方向条件下的循环稳定性；

b) FASC器件串联点亮LED灯图片；

图6 FASC器件柔性表征

a) 能量-功率密度比较图；

b) FASC器件驱动马达；

c) FASC器件不同弯曲程度；

d) FASC器件不同弯曲程度下的CV曲线（50mV/s）；

【总结】

研究人员采用CVD法在碳布上生长三维Ni@CNT网络，将其组装成一种新型无充电极性的FASC器件。Ni@CNT电极同时作为正负极，在碱性电解液中具有良好的电荷存储性能。为了实现器件的柔性和便携化，研究人员采用PVA-KOH凝胶电解质装配的柔性FASC器件可以提供高体积能量密度、功率密度、优异的机械稳定性和超长循环寿命等优良性能。最重要的是，该FASC器件可以在不区分电极极性和增加特殊保护设备的情况下充电，使它在实际应用中非常方便，有望减少实际制造成本。

文献链接：A non-polarity flexible asymmetric supercapacitor with nickel nanoparticle@carbon nanotube three-dimensional network electrodes (Energy Storage Materials, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.09.013)

本文由材料电化学团队姜雨琪供稿。

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