顶刊动态 | AM/AEM等近期超级电容器研究进展【新能源周报第19期】

柔性可穿戴超级电容器至关重要的两点即电极材料与结构设计，微型超级电容器则更注重电极结构的合成方法。本周的新能源周报将带大家一览近半个月来超级电容器在各大顶刊的研究进展。

1.Adv. Mater.：可透气可穿戴的纸基能源存储器件

两种可透气穿戴能源存储器件的制备方法

近日，清华大学深圳研究生院的康飞宇和徐成俊课题组（共同通讯）报道了一种可透气可穿戴的纸基能源存储器件。这项工作所采取的策略是在普通无尘纸上通过反复浸渍-干燥的方法沉积碳纳米管，继而在碳纳米管上再负载二氧化锰作为电极的活性物质。这种电极不仅拥有良好的电化学性能（如优异的倍率性和循环稳定性），而且具有足够的柔性。通过采用PVA/KOH凝胶电解质将该电极组装成固态柔性器件后能够在0°–180°之间的任意角度重复弯曲，弯曲200次后仍有超过90%的电容保持率。进行打孔处理后，器件电容保持率高达94%。另外，该器件展示了与普通衣物相当的透气性，表现出了良好的透气性。这项工作给可透气可穿戴储能器件的制备提供了一种有效的策略。

文献链接：Breathable and Wearable Energy Storage Based on Highly Flexible Paper Electrodes （Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602541）

2.Adv. Energy Mater.：基于纸质的二维过渡金属碳化物的共面微型超级电容器

激光打印二维金属碳化物的流程及实物图展示

激光微型储能器件由于其在可穿戴设备中有重要的应用而受到越来越多的关注。近日，阿卜杜拉国王大学的Husam N. Alshareef课题组（通讯作者）通过一种简单的直接激光加工的方法成功组装了一种基于纸质的二维过渡金属碳化物微型超级电容器。这种方法能够广泛应用到基于其他基底的共面器件上。电极材料刻蚀过程的本质以及二维过渡金属碳化物Ti₃C₂的形貌对于超级电容器的电化学性能有重要的影响。这些结果可以从物理尺寸，夹层间距以及电导率等方面来解释。这项工作给基于二维材料的纸质超级电容器的制备提供了一种新的思路。

文献链接：MXene-on-Paper Coplanar Microsupercapacitors（Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601372）

3.Adv. Energy Mater.：采用切、转移策略实现拥有三维集流体的混合微型电容器

三维混合微型电容器的制备过程

阿卜杜拉国王科技大学的Husam N. Alshareef等（通讯作者）采用激光打印三维的泡沫镍集流体的方法实现了三维共面的混合微型电容器。合成的器件展现出优越的电化学性能，其功率密度可达200 μWh cm⁻²，是目前报导的功率密度最高的微型超级电容器。其能量密度可达4.4 mW cm⁻²，可与微型电池和薄膜电池相比拟。这为进一步开发性能优异的微型超级电容器提供了一定借鉴意义。

文献链接：Hybrid Microsupercapacitors with Vertically Scaled 3D Current Collectors Fabricated using a Simple Cut-and-Transfer Strategy（Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601257）

 4.Nano Lett.：垂直的石墨烯纳米墙用于高电压双电层电容器的新方法

石墨烯纳米墙及粉末的结构对比原理图

双电层电容器（EDLCs）的电压窗口偏低一直是局限其能量密度及功率密度的问题。国立清华大学的胡启章等（通讯作者）通过寻找匹配的电极材料与电解液的思路，采用三种策略扩展了EDLCs的电压窗口。通过构造不活泼的电极表面可以承受更好的电压。石墨烯纳米墙结构及氮掺杂的石墨烯纳米墙结构可分别实现在正极材料拓宽至1.5 V而在负极材料拓宽至-2.5 V（有机电解质）。由此两种电极材料获得的非对称器件电压窗口可拓宽至4 V，其能量密度达52 Wh kg^-1，功率密度达13 Wh kg^-1。这将为双电层电容材料与锂离子电极材料有效组合成混合电容器提供了一种更大的可能性。

文献链接：New Approach for High-Voltage Electrical Double-Layer Capacitors Using Vertical Graphene Nanowalls with and without Nitrogen Doping（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02401）

5.Adv. Funct. Mater.：二维纳米片与介孔碳纳米棒的复合材料用于电催化和非对称超级电容器

二维纳米片与介孔碳纳米棒的复合材料的制备过程

碳材料作为一种电化学活性物质一直吸引了研究者们极大的兴趣。然而关于碳材料的孔道能否作为一种支撑结构去协调能量存储与转换这方面的知识却极其缺乏，其重要的原因就是缺乏相应的手段去生产多孔碳材料。基于此，郑州大学的张佳楠、许群及北京大学的郭少军等（共同通讯）近日报道了一种二维纳米片与介孔碳纳米棒的复合材料用于电催化作用和非对称超级电容器。其中，MoS₂@OMCRs（有序多孔碳纳米棒）的复合材料在析氢反应中开启电压低至105 mV，塔菲尔斜率为40 mV dec^-1。MoS₂@OMCRs和MnO₂组成的非对称超级电容器电位窗口高达2 V，在0.2 A g^-1的电流密度下质量比电容达到100 F g^-1，在功率密度为200 W kg^-1时能量密度达到55.2 Wh kg^-1。

文献链接：2D Thin Nanoflakes Assembled on Mesoporous Carbon Nanorods for Enhancing Electrocatalysis and for Improving Asymmetric Supercapacitors （Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201603504）

 6.Nano Energy: 分层的介孔NiO纳米阵列用于液体混合型超级电容器

分层介孔的NiO材料制备过程

为了提高储能材料的能量密度和功率密度，合成具有分层的介孔结构的电极材料受到越来越多的关注。近日，北京化工大学的刘军枫课题组（通讯作者）通过简单的水热和模板刻蚀的方法成功合成了一种分层的介孔NiO纳米阵列用于混合型的超级电容器。该混合超级电容器的电位窗口达到1.6 V，在5 mA cm^-2的电流密度下质量比电容达到3114 F g^-1 ，在320 W kg^-1的功率密度下能量密度达到67.0 Wh kg^-1，循环6000次后任有89.6%的电容保持率，显示了良好的循环稳定性。

文献链接：Hierarchical mesoporous NiO nanoarrays with ultrahigh capacitance for aqueous hybrid supercapacitor（Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.09.012）

 7.Nano Energy：自组装模板氮掺碳气凝胶用于高倍率超级电容器

自组装模板氮掺杂碳气凝胶制备过程及实物展示

近日，河南师范大学的魏献军及高书燕等（共同通讯）报道了一种采用自组装模板法合成的三维交联多孔氮掺碳气凝胶用于高倍率超级电容器。该电极材料的比表面积高达2016 m² g^-1，组成的非对称器件质量比电容达到467 F g^-1，在20 A g^-1的电流密度下循环10000次仍有85.7%的电容保持率。该器件在262.5 W kg-1的功率密度下能量密度达到22.75 Wh kg^-1，在9572 W kg^-1的功率密度下能量密度达到7.6 Wh kg^-1。

文献链接：Self-assembly-template engineering nitrogen-doped carbon aerogels for high-rate supercapacitors（Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.023）

8.Nano Energy：界面相容性诱导的双毛细吸管碳纳米纤维用于柔性双电层电容器

双毛细吸管碳纳米纤维制备过程及形貌

超级电容器电极材料的孔隙率和柔性是难以兼容的问题。南京航空航天大学的张校刚与日本国家材料科学研究所的Yusuke Yamauchi等（共同通讯）通过同轴静电纺丝技术以及界面相容诱导法合成了双毛细吸管状的碳纳米纤维，其中内层毛细吸管为微孔结构而外层为介孔结构。该结构实现了电解液可穿透、短的离子扩散距离以及柔性等的协同效果。以该电极材料制备的柔性器件可达到133 F g^-1的电容量以及优异的倍率性能。最大能量密度及功率密度实现了56.6 Wh kg^-1 和114 kW kg^-1。这种将可批量生产的共轴静电纺丝技术与超级电容器结合的尝试将为实现柔性可穿戴及安全的电子器件铺好道路。

文献链接：Interface miscibility induced double-capillary carbon nanofibers for flexible electric double layer capacitors （Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.043）

本文由材料人编辑部新能源学术组 能源小兵 供稿，点这里加入材料人的大家庭。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。