济南大学Nano Energy：高能量密度柔性PPy/MnO2非对称超级电容器的组装设计

【引言】

随着便携式电子设备需求的快速增长，柔性、轻质的超级电容器是一种新型的储能器件，以其高的能量密度和安全性受到广泛的关注。作为超级电容器的重要组成部分，电极材料决定着器件的整体性能。过渡金属氧化物、导电聚合物等赝电容材料资源丰富、绿色环保、电化学性能优越，其中二氧化锰电极材料由于导电性能低、使其在电化学反应中不能进行高效的自由电子和离子的输运。为了增加材料的导电性和活性面积，提高材料的稳定性，进行电极材料形貌的和结构的调控是至关重要的。

【成果简介】

济南大学徐锡金教授（通讯作者）与华中科技大学翟天佑教授（通讯作者）合作在Nano Energy在线发表题为“Flexible and High Energy Density Asymmetrical Supercapacitors based on Core/Shell Conducting PolymerNanowires/ Manganese Dioxide Nanoflakescore/shell”的文章，报道了一种低温，简单，环保的方法合成PPy纳米线为导电骨架和极薄的MnO₂纳米片为壳的纳米结构。这种核壳结构高效的增加了MnO₂的活性面积和导电性，也提高了PPy的电化学稳定性，进而缩短了离子的传输距离。PPy@MnO₂核壳结构具有高的比电容(276 F g⁻¹ 在电流密度为2 A g⁻¹时)和极高电容保持率72.5%(200 F g⁻¹在电流密度为20 A g⁻¹). 并进一步以PPy@MnO₂核壳结构为超级电容器的正极材料，以超级电容活性炭(AC)为负极材料组装成超柔性非对称电容器。得到的超级电容器拥有杰出的稳定性(在3 A g⁻¹时循环6000次保持初始电容值的90.3%)，机械柔韧性，宽的电压窗口(1.8-2.0 V)和高的能量密度(25.8 W h kg⁻¹在功率密度为901.7 W kg⁻¹)。这种策略采用简单的方法制备低成本的电极材料，将促进柔性储能装置的快速发展。

【图文导读】

图1：MnO₂纳米片，PPy纳米线和PPy@MnO₂核壳结构的合成示意图，形貌表征和结构、成分分析

(a)PPy纳米线@MnO₂纳米片核/壳纳米结构合成示意图。

(b, c)和(d, e) MnO₂纳米片的高低倍SEM图和PPy纳米线SEM图。

(f, g)PPy纳米线@MnO₂纳米片SEM图。

(h, i) PPy@MnO₂核/壳纳米结构的EDS元素分布图。

(j)PPy纳米线@MnO₂纳米片的XRD图谱。

图2：PPy@MnO₂核壳结构的电化学电容性能表征及分析

(a)MnO₂、PPy、ACFC和PPy@MnO₂核/壳纳米结构在30 mV s^-1下的CV 曲线对比图。

(b)MnO₂、PPy、ACFC和PPy@MnO₂核/壳纳米结构在3A g^-1下的GCD曲线图。

(c)三种不同电极材料的倍率性能图。

(d) PPy纳米线@MnO₂纳米片电极材料在不同扫速下的CV图。

(e)PPy纳米线@MnO₂纳米片电极材料在不同电流密度下的恒流充放电图

(f)在3 A g ^-1的电流密度下PPy纳米线和PPy纳米线@MnO₂纳米片电极的循环寿命图及电极在循环前后颜色的变化。

图3：非对称超级电容器的组装示意图、工作电压和柔韧性的测试

(a)非对称超级电容器的组装示意图。

(b) 非对称柔性超级电容器的柔韧性数字图像。

(c)PPy@MnO₂核/壳纳米结构与AC电极在扫描速率为30 mV s⁻¹的CV曲线。

(d)PPy纳米线@MnO₂纳米片非对称柔性超级电容器在扫描速率为30 mV s⁻¹下的CV曲线。

图4：PPy纳米线@MnO₂纳米片非对称柔性超级电容器的电化学电容性能表征及分析

(a) PPy纳米线@MnO₂纳米片非对称柔性超级电容器在不同扫速下的CV图。

(b)PPy纳米线@MnO₂纳米片非对称柔性超级电容器在不同电流密度下的恒流充放电图。

(c)非对称柔性超级电容器的循环稳定性测试。

(d)非对称柔性超级电容器与已报道的超级电容器的对比Ragone plot图。

(e)非对称柔性超级电容器的机械柔韧性研究。

(f)一片和两片非对称柔性超级电容器串联恒流充分电图及简单应用。

【总结与展望】

该种PPy@MnO₂核壳结构，通过协调充分利用MnO₂在中性电解液中的高稳定性和聚合物PPy的优良导电性，构建了快速、丰富、高效的电子和离子输运路径，有效的解决了PPy在中性电解液下的不稳定性。组装的柔性超级电容器拥有杰出的稳定性，机械柔韧性，宽的电压窗口和高的能量密度。更重要的是，该方法可以适用于大规模制备环境友好型的聚吡咯杂化复合材料，很容易推广到制备其他的高性能储能纳米电极材料。

【参考文献】

文章链接：Flexible and high energy density asymmetrical supercapacitors based on core/shell conducting polymer nanowires/manganese dioxide nanoflakes (Nano Energy 2017 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.03.045)

本文由济南大学徐锡金教授投稿，材料牛编辑大城小爱整理编辑。

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