隨著可穿戴電子和便攜式電子設(shè)備如柔性顯示屏、電子皮膚、智能服裝等的出現(xiàn)和發(fā)展,對(duì)能源儲(chǔ)存器件的安全性、可靠性及柔韌性等提出了更高的要求。超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能器件,通過在電極材料和電解質(zhì)界面快速的離子吸脫附或完全可逆的法拉第氧化還原反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)能量。因其具有電池難以企及的高電容值、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和低維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì)引起了廣泛的關(guān)注和研究。盡管超級(jí)電容器有諸多優(yōu)點(diǎn),然而其能量密度(<10Wh/Kg)通常比鋰離子電池(>100Wh/Kg)要小很多,因此制約了其廣泛應(yīng)用。

根據(jù)能量密度公式E=1/2CV2,可通過提高超級(jí)電容器電極的比電容(C)以及電解液的工作電壓(V)來(lái)提高其能量密度(E)。最近,美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Shaoqin Sarah Gong教授(通訊作者)和博士生Qifeng Zheng(第一作者)采用上述策略,制備了一種自支撐復(fù)合材料氣凝膠電極,并開發(fā)了一種離子液體/高分子固態(tài)電解液,組裝出具有超高能量密度的柔性全固態(tài)超級(jí)電容器(Q.Zheng,A.Kvit,Z.Cai,Z.Ma,S.Gong,A freestanding cellulose nanofibril-reduced grapheneoxide-molybdenum oxynitride aerogel film electrode for all-solid-statesupercapacitors with ultrahigh energy density,J Mater Chem A(2017)。

自支撐復(fù)合材料氣凝膠電極組裝出具有超高能量密度的柔性全固態(tài)超級(jí)電容器

該電極具有眾多優(yōu)勢(shì):

1、將長(zhǎng)徑比高、比表面大的一維(CNF、MoO3)和二維(GO)材料復(fù)合,易形成自支撐電極材料;

2、在將氣凝膠中的氧化石墨(GO)通過水合肼蒸汽原位還原成石墨烯(RGO)的過程中,CNF和MoO3有效地阻止了RGO的聚集,充分發(fā)揮了石墨烯的儲(chǔ)能作用;

3、在還原過程中,MoO3被部分還原并引入了少量氮原子摻雜形成贗電容材料MoOxNy,顯著提高了電極的導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性及比電容值;

4、三維微孔電極可負(fù)載更多的電活性材料從而提高其總?cè)萘浚邑炌捉Y(jié)構(gòu)極大地促進(jìn)了離子或電荷在電極活性材料表面的移動(dòng)。該電極在1.0 M硫酸電解液中展示出超高的質(zhì)量比電容(680 F/g)和面積比電容(1700 mF/cm2);在離子液體電解液中也具有超高的質(zhì)量比電容(518 F/g)和面積比電容(1295 mF/cm2)。

將上述電極與基于離子液體/高分子的固態(tài)電解液(PVDF-P407-[BMPY][NTf2]Ionogel Electrolyte)組裝成對(duì)稱的全固態(tài)柔性超級(jí)電容器,其工作電壓可達(dá)3.6伏,遠(yuǎn)高于常用的PVA/H2SO4固態(tài)電解液。該超級(jí)電容器展示出262 F/g的質(zhì)量比電容,并且在2000次的循環(huán)充放電測(cè)試后,其電容值反而提高到初始值的106%。同時(shí),該器件展示出非常優(yōu)越的柔韌性,在將其折疊成不同角度測(cè)試過程中,發(fā)現(xiàn)其循環(huán)伏安曲線幾乎沒有任何變化。引人注目地,該全固態(tài)柔性超級(jí)電容器的能量密度可到到114 Wh/kg(18.8 Wh/L),是目前文獻(xiàn)已報(bào)道的全固態(tài)超級(jí)電容器中的最高值,并且達(dá)到了可以跟鋰離子電池相媲美的程度(圖2)。

自支撐復(fù)合材料氣凝膠電極組裝出具有超高能量密度的柔性全固態(tài)超級(jí)電容器

該工作通過巧妙的材料體系設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)單的制備方法,針對(duì)性地解決超級(jí)電容器存在的問題。氣凝膠的三維多孔結(jié)構(gòu)解決超級(jí)電容器中離子傳輸?shù)膯栴},MoO3的氮摻雜解決贗電容材料導(dǎo)電性和循環(huán)性的問題,離子液體電解液解決工作電壓的問題,自支撐多孔電極和高分子固態(tài)電解液解決柔性問題。該研究對(duì)高能量密度、高功率密度的柔性能源儲(chǔ)存器件的研發(fā)具有重要的參考價(jià)值。

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