自支撐三維納米多孔石墨烯薄膜製備微米級柔性全固態非對稱超電容

2021-02-24 MaterialsViews

電子器件的日益小型化和柔性化要求儲能器件必須具備輕質、柔性，並能夠在有限空間內最大程度地發揮高電化學性能。因此，探尋具有高體積比性能的柔性儲能器件成為關鍵。柔性超電容因其具有高功率密度和長使用壽命受到人們的廣泛關注。為了兼顧功率密度和能量密度，人們通常將具有高導電性的碳納米材料和具有高比容量的過渡金屬氧化物複合，以期獲得優異的電化學性能。然而，碳納米材料較低的比容量在一定程度上降低了複合電極材料整體的電化學性能。因此，尋求高比表面積、高導電性、輕質、體積可忽略的自支撐體來複合過渡金屬氧化物是獲得高能量密度和功率密度超電容的關鍵。


近期，天津大學趙乃勤教授課題組利用納米多孔銅為模板原位合成了三維管道狀納米多孔石墨烯薄膜（3D-DG），其孔徑分布為500~800nm，石墨烯片層少於5層，並展現了良好的柔韌性。在此基礎上，利用電化學沉積的方法在3D-DG內外表面均勻沉積了二氧化錳（MnO2），可達複合電極（3D-DG@MnO2）總量的90.5wt%，從而大幅提高整體電極的電化學性能。

爾後，課題組利用納米多孔銅催化氫化石墨高溫裂解，合成了連續異質結構的納米多孔石墨烯膜（3D-npG），並以此為負極材料，3D-DG@MnO2為正極材料，PVA/LiNO3為凝膠電解質，組裝成非對稱柔性超電容（ASCs）。組裝後的ASCs的厚度僅有50μm左右，電壓窗口可擴展至2V，表現出優異的體積能量密度（28.2mWhcm-3）和功率密度（55.7Wcm-3）。ASCs在循環5000次之後容量仍然能夠保持在~92%。僅使用一片ASCs就可以同時點亮25盞紅色LED燈。

相關研究成果近期以Frontispiece的形式刊登在Advanced Energy Materials （DOI: 10.1002/aenm.201600755）上。

用於高能量鋰空氣電池的新型三維納米多孔石墨烯材料

TiC納米鏈電極的高能鋰離子電容器的構築

具有超高倍率性能的全固態線狀超級電容器

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