Energy Environ. Sci.：全木制超级电容器

【引言】

超级电容器是重要的储能器件之一。近来许多研究工作致力于新型材料的开发，如碳基电极、金属氧化物和过渡金属氧化物等。而不改变电极材料化学组分，仅通过改良电极材料和整个器件的结构来提升电化学性能的研究工作较少。结构的设计也是同样的重要，这能使得活性材料得到充分利用，促进电子和离子传输，尤其体现着厚电极上。

具有高负载量的厚电极是人们追求的目标，它不仅能使得超级电容器具有很高的能量密度，还可以减少非活性材料的使用从而节省制造成本。但是在实际应用中，电子和离子在厚度方向的传输很有难度，且厚电极容易变形。有文献报道称降低电极材料的弯曲度可以促进离子迁移过程，这有利于倍率性能，尤其用在厚电极上。获得高负载量，同时保持低弯曲度，并具有良好的离子/电子传导性和低变形性的厚电极是一个挑战。

【成果简介】

最近，华中科技大学谢佳教授和马里兰大学帕克分校胡良兵教授（共同通讯作者）在Energy & Environmental Science发表题为“All-wood, Low Tortuosity, Aqueous, Biodegradable Supercapacitors with Ultra-High Capacitance”的文章，展示了一种全木制的非对称超级电容器。该超级电容器采用活性木炭（AWC）作为负极，木制薄膜作为隔膜，MnO₂/木炭（MnO₂@WC）作为正极。这三个组分均来自天然木材，具有独特的各向异性结构，沿着生长方向有很多开放的孔道，可供离子直接传输。该电极材料不仅具有较大的负载量，而且变形性也小，因此该全木制超级电容器表现出相当高的能量/功率密度和循环稳定性。全木制材料价格低廉还可生物降解，是一种有绿色可再生的储能器件。

图文导读：

图1：全木制超级电容器示意图

全木制结构的非对称超级电容器的设计构思以及构建流程的示意图。沿着径向切割得到设计厚度的木块，再进行后续处理。

图2：AWC的形貌和电化学性能

(a-e) AWC的SEM图，分别是(a)顶视图，(b)a的放大图，(c)横截面图，(d)孔道，(e)孔道内的纳米孔。

(f) AWC多级孔结构的示意图。

(g-i) 分别是AWC不同测试条件下的CV曲线、恒流充放电曲线、倍率性能图。

图3：MnO₂@WC的形貌和电化学性能

(a) 原生木材的SEM图。

(b-e) MnO₂@WC的SEM图，分别是(b)顶视图，(c)a的放大图，(d)孔道以及孔道内原位生长的MnO₂纳米片的插图，(e)顶视图和横截面图，插图显示MnO₂@WC的厚度。

(f) 孔道内C、Mn、O等元素映射图。

(g-h) MnO₂@WC复合材料的TEM图和高倍率TEM图，h中插图为MnO₂@WC复合材料的SAED图。

(i-k) 分别是MnO₂@WC复合材料不同测试条件下的CV曲线、恒流充放电曲线、倍率性能图。比电容的计算是基于MnO₂@WC的总质量（~75 mg/cm²）。

图4：AWC//木制隔膜//MnO₂@WC器件的电化学性能

(a) AWC负极、木制隔膜、MnO₂@WC正极的图像。

(b) 全木制超级电容器的图像。

(c) AWC负极和MnO₂@WC正极在电位窗口为-1~0.8 V之间典型的CV曲线。

(d) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC在不同电位窗口范围下CV曲线。

(e) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC在不同扫速下的CV曲线。

(f) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC在不同电流密度下的恒流充放电曲线。

(g) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC的倍率性能。

(h) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC的循环性能。

比电容的计算是基于两个电极的总质量。

图5：全木制非对称超级电容器展示

(a-f) 分别是(a)大尺寸的AWC负极，(b)大尺寸的MnO₂@WC正极，(c)大尺寸的木制隔膜，(d)凝胶电解质，(e,f)大尺寸的器件。

(g) 全木制超级电容器点亮LED灯。

(h) 全木制超级电容器和其他报道的电极材料的面积比电容、能量密度和电极厚度对比。

【小结】

研究者简单的构建了一种全木制结构的非对称超级电容器器件，负极为活性木炭，隔膜为木制薄膜，正极为MnO₂/木炭，并采用凝胶电解质。组装的全木制超级电容器具有很高的面积比电容（3.6 F/cm²）、很高的功率/能量密度（在1044 mW/cm²下高达~1.6 mWh/cm²），以及在高负载下（(~75 mg/cm²）保持长循环稳定性。这种不改变化学组分而仅调节电极和器件结构的全新设计理念十分高效，开拓高性能储能器件研究新方向。

文献链接：All-wood, Low Tortuosity, Aqueous, Biodegradable Supercapacitors with Ultra-High Capacitance (Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE03716J)

本文由材料人新能源组 蒜头 供稿，材料牛编辑整理。

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