顶刊动态 | EES/AEM等近期超级电容器学术进展【新能源周报第17期】

新型结构的超级电容器如微型超级电容器等的应用前景越来越广泛，得到了广大研究者的密切关注。另外，对于电极材料的研究对于超级电容也是至关重要的。本期新能源周报带大家来看看近期关于这两个方面的学术进展。

1.Energy Environ. Sci.: 二维过渡金属碳化物全固态微型超级电容器

二维过渡金属碳化物微型超级电容器制备过程

微小轻便的电子器件如微型超级电容器近几年的快速发展引起了人们的极大兴趣。具有交叉式电极结构的微型超级电容器相比于三明治型的超级电容器具有更高的功率密度和倍率性能，相比于微型电池则具有更高的循环寿命。碳材料和过渡金属氧化物经常被用于微型超容的电极材料，然而，微型超容的面积电容和体积电容又常常受限于这些材料较低的堆积密度和较差的导电性。

基于此，美国德雷塞尔大学的Gogotsi（通讯作者）课题组采用旋涂和激光切割的方法成功组装了一种基于新型的过渡金属碳化物Ti₃C₂T_x的全固态微型超级电容器。这种新型的二维材料具有许多显著的优点，例如相较于石墨烯具有较高的质量比电容和更大的堆积密度（~4.0 g cm^-3），且导电性良好。这种微型超容在20 mV s^-1 的扫速下面积比电容可达27 mF cm^-2 ,体积比电容可达 357 F cm^-3 ，并且在50 mV s^-1 的扫速下循环10000次电容保持率高达100%。这项研究给高性能的微型超级电容器提供了一种新的设计思路。

原文链接：All-MXene (2D titanium carbide) solid-state microsupercapacitors for on-chip energy storage (Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE01717G)

2.Adv. Energy Mater.：基于纺织物的可穿戴的平面微型超级电容器

新型平面微型电容器制备过程及其应用展示

可穿戴的能源存储器件的需求量正在逐年增大。特别地，那些有集成电子元件的智能纺织物迫切地需要能被直接编入衣服中与供能器件连接起来使用。传统的硬性电池已被广泛应用于各种智能纺织物中，然而其非柔性极大地限制了它们的多功能应用。理想的智能纺织物的供能器件也应该是以纺织物的形式存在。

基于此，北京纳米能源与系统研究所的胡卫国及王中林等（共同通讯）报导了一种基于纺织物的可穿戴平面微型超级电容器。相比于传统的三明治结构的超级电容器，这种平面器件拥有更加优异的电化学性能。该器件在0.01 V s^-1的扫速下面积比电容高达8.19 mF cm^-2，经过10000次循环后电容有91%的保持率。扫速从0.01 V s^-1增大到2 V s^-1，电容仍有良好的保持率53%。这种新概念的纺织物微型超级电容器在智能纺织物和可穿戴电子产品中具有广阔的应用前景。

原文链接： Wearable Textile-Based In-Plane Microsupercapacitors (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601254)

3.Adv. Energy Mater.：分层的氮掺杂多孔碳/聚苯胺电极用于非对称超级电容器

氮掺杂多孔碳/聚苯胺电极制备流程

活性炭基于其自身的各种优势，被广泛应用于非对称超级电容器的阳极材料。然而，大多数的商用活性炭由于其微孔中没有足量的离子扩散导致其倍率性能较差，极大地限制了其能量密度和功率密度。因此，近年来研究者们设计了各种分层的多孔碳材料以取代活性炭。

鉴于此，上海复旦大学的方晓生（通讯作者）课题组报道了一种分层的多孔氮掺杂碳/聚苯胺的纳米复合材料。他们通过将面粉，尿素和KOH经过一步碳化的方法，成功合成了这种三维交联的蜂窝状的结构，其比表面积高达1294 m² g^-1  ，质量比电容可达383 F g^-1。在该碳电极表面原位聚合聚苯胺后质量比电容高达1080 F g^-1 ，再将其与掺氮的多孔碳电极组成非对称器件后质量比电容可达134 F g^-1 ，功率密度可达60.3 Wh kg^-1， 循环5000次后电容仍保持91.6%。该工作在高容量的储能设备上有广阔的应用前景。

原文链接：A Novel Sustainable Flour Derived Hierarchical Nitrogen-Doped Porous Carbon/Polyaniline Electrode for Advanced Asymmetric Supercapacitors (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601111)

4.Adv. Energy Mater.：PPy链与MXene的复合材料用于柔性，自支撑的超级电容器电极

PPy链与MXene的复合材料的制备流程及实物展示

导电聚合物聚吡咯由于其高的电化学活性和固有的柔性被广泛应用于超级电容器，但有限的电容量和循环稳定性限制了它的应用。黏土，拥有二维的层状结构，该结构有利于阻止聚吡咯的紧密堆叠，从而形成有利于离子传输的多孔结构。但黏土是绝缘体，因此不适用于改善聚吡咯薄膜。

受此结构的启发，香港城市大学的支春义（通讯作者）等人合成了一种新型的二维过渡金属碳化物MXene（l-Ti₃C₂）以替代绝缘的黏土。通过电泳合成l-Ti₃C₂薄膜，并在该薄膜上聚合聚吡咯得到的这种自支撑的复合电极，具有优异的电化学性能。其面积比电容可达203 mF cm^-2 ,进行20000次充放电循环后电容保持率接近100%，有效地解决了聚吡咯有限的电容量和循环稳定性的问题。将该自支撑的PPy/ l-Ti₃C₂复合薄膜组成固态的对称超级电容器后，面积比电容可达35 mF cm^-2，在任何弯曲状态下循环10000次仍有稳定的电容性能。该工作提供了一种新方法来设计和组装导电聚合物基的超级电容器。

原文链接：Highly Flexible, Freestanding Supercapacitor Electrode with Enhanced Performance Obtained by Hybridizing Polypyrrole Chains with MXene (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201600969)

5.Nano Energy: 由植物果实得到的三维框架多孔碳纳米片用于高性能的超级电容器

榆树果实获得活性炭的制备过程

活性碳基的超级电容器由于其具有较长的循环寿命，较快的充放电速率而备受关注，但由于能量密度低和导电性差而限制了其在商业上的应用。超级电容器的存储能量正比于电容量和电位窗口的平方，而这两个参数又取决于比表面积，孔状结构，杂原子的掺杂对电极材料的影响。 然而，如果不能设计出合适的结构去高效利用比表面积，则比表面积的绝对大小这个参数是没有意义的。

基于此，哈尔滨工业大学的孙晔，于淼及丹麦奥胡斯大学的Flemming Besenbacher（共同通讯）等近日报导了一种以榆树翅果为原材料，具有三维框架多孔纳米片结构的碳基电容材料。该碳材料由简单的碳化和活化处理得到，在三电极系统和6 mol L^-1 的KOH电解质中质量比电容可达470 g^-1 ,而在二电极系统1 A g^-1下质量比电容可达310 F g^-1 ，在200 mV s^-1 的扫速下仍有较高的倍率性能72%，循环50000次电容量只损失了2%。另外，这种电极材料的能量密度高达25.4 Wh kg^-1,功率密度可达15 kW kg^-1。这种具有特殊结构的材料由于价格低廉，合成方法简单，性能优异，使得其在能源存储领域具有可持续的应用潜力。

原文链接：Three-dimensional scaffolding framework of porous carbon nanosheets derived from plant wastes for high-performance supercapacitors (Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.07.020)

6.Nano Energy: 从虾壳中得到的具有弹性的掺氮的碳纳米纤维微球用于快充超级电容器

具有弹性的掺氮的碳纳米纤维微球制备过程

从海鲜食物残渣中获取的虾壳自然易得，来源丰富，可作为掺氮碳材料的原材料，但由于其难溶性而限制了对它们的加工和进一步的应用。近日，华中科技大学的黄亮及武汉大学的张俐娜等（共同通讯）采用的策略是先利用分子自组装技术构建纳米纤维微球，随后进行碳化将其转化为掺氮的碳微球用于超级电容器的应用。这种碳材料由于其稳固的相互交联的三维网状结构以及超高的比表面积（大约1000 m²/g）从而具有优异的倍率性能和循环寿命，扫速从5 mV s^-1 扫到10000 mV s^-1后电容仍有50%的保持率，在50 mV s^-1的扫速下循环10000次电容保持率高达96%。在有机电解液中，能量密度可达58.7 Wh kg^-1。这项工作给力求从可再生能源中获得能源存储材料的科技工作者提供了一种新策略。

文献链接：Unique elastic N-doped carbon nanofibrous microspheres with hierarchical porosity derived from renewable chitin for high rate supercapacitors (Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.07.034)

 7.Nano Energy: 碳修饰的Na₂Ti₃O₇. 2H₂O纳米带用于高性能的超级电容器

碳修饰的Na₂Ti₃O₇. 2H₂O纳米带制备过程

柔性可穿戴的超级电容器在近年来受到越来越多的关注。然而，如何给电极材料设计优良的结构从而获得最优化的性能是一个巨大的挑战。因此，需要探索新型的电极材料并设计出更加优化的微观结构。鉴于此，重庆大学的奚伊（通讯作者）课题组近期通过简单的水热法成功合成了一种具有层状结构的新材料Na₂Ti₃O₇. 2H₂O纳米带。这种新型的电极材料用碳进行修饰后可增强其导电性，组成器件后具有优异的电化学性能。在25 mV s^-1 的扫速下质量比电容高达459.71 F g^-1 ,在功率密度为478 W kg^-1的情况下能量密度为33.2 Wh kg^-1。循环6000次后仍有74.3%的电容保持率。将三个超级电容器器件串联后可以点亮一百盏绿色的商用LED灯10 min。这项工作给高性能超级电容器的电极材料提供了一种新的选择。

文献链接：Carbon-modified Na₂Ti₃O₇·2H₂O nanobelts as redox active materials for high-performance supercapacitor (Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.021)

本文由材料人编辑部新能源学术组 能源小兵 供稿，点这里加入我们。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。