我國科學家製備高性能柔性儲能器件

2020-12-02 中國科學院科技產業網

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員邸江濤等與喬治亞理工學院教授Ching-ping Wong合作，設計並製備出鋅摻雜氧化銅納米線（Zn-CuO）三維陣列結構，為電化學活性物質MnO2提供導電支架，獲得高負載的MnO2納米片材料。將生長在銅線表面的Zn-CuO@MnO2材料用於同軸非對稱纖維型超級電容器正極材料，獲得了高的比容量及寬的工作電壓窗口。

同軸非對稱纖維型器件具有體積小、便攜、工作窗口大等優勢，被認為在未來柔性可穿戴及微型的電子器件領域具有廣闊的應用前景。然而目前，同軸非對稱纖維器件仍存在能量密度低、電極材料及結構設計的局限性等問題，這限制了其進一步應用。

圖1.（A-F）同軸非對稱超級電容器製備示意圖。（G）同軸非對稱超級電容器截面示意圖

二氧化錳具有高的理論容量、低成本、低毒性和環境友好等特性，被認為是優異的電化學活性材料。然而，二氧化錳材料低的導電性和易於團聚的問題導致了其有限的比容量和功率密度。

為解決上述問題，蘇州納米所研究員李清文團隊與Ching-ping Wong團隊合作，設計並製備出Zn-CuO@MnO2納米線陣列電極；使用Zn0.11CuO@MnO2作為核電極（正極）、生長在碳納米管薄膜上的VN納米線陣列作為負極，包覆在核電極表面組裝同軸非對稱超級電容器。

Zn-CuO納米線通過一步法原位生長在銅線表面，為MnO2提供導電支架和沉積基底。Zn摻雜進入CuO晶格提高了CuO的導電性，改進了MnO2納米片在電化學反應過程中與導電基底之間有效的電子傳輸。

圖2.（A-B）CuO，CuO@MnO2，Zn0.11CuO and Zn0.11CuO@MnO2電極電化學充放電曲線及比容量與壓降圖。（C）MnO2負載量與沉積時間的關係。（D-E）Zn0.11CuO@MnO2電極在不同MnO2負載量時面積和質量比容量的關係。（F）Zn0.11CuO@MnO2電極循環穩定性

與其他導電支架相比，Zn-CuO納米線為複合電極貢獻了部分容量。通過摻雜不同含量的Zn，獲得了導電性和比容量較佳的Zn0.11CuO納米線材料。其能夠負載MnO2的質量達12.4 mg/cm2，使電極獲得了高的面積比容量（4.26 F/cm2）。

該同軸非對稱器件的工作電壓能夠達到1.8 V，比容量為296.6 mF/cm2，能量密度為133.5 mWh/cm2（功率密度為0.9 mW/cm2)。與其他同軸非對稱超級電容器相比，該研究製備的器件的能量密度和功率密度明顯優於其他同類器件。為進一步驗證其在可穿戴柔性器件領域的應用，研究人員考察了同軸非對稱超級電容器在不同彎曲條件下的電化學穩定性。

圖3.（A）同軸非對稱超級電容器在不同彎曲狀態下的光學圖片。（B）在1-3彎曲狀態下，同軸非對稱超級電容器的充放電曲線。（C）在90度彎曲狀態下，器件的充放電循環測試。（D）同軸非對稱超級電容器在可攜式可穿戴領域展示出潛在的應用前景

結果顯示，在不同彎曲條件下，器件充放電曲線無明顯變化，這說明其在外力形變狀態下，具有較好的電化學穩定性及循環穩定性。這種同軸非對稱超級電容器能夠點亮一個2 V的LED小燈泡並能維持60 s。該研究成果的發表為纖維型儲能器件在柔性可穿戴領域的發展提供了進一步的可能性。

相關研究成果以Atomic Modulation 3D Conductive Frameworks Boosts Performance of MnO2 for Coaxial Fiber-Shaped Supercapacitors為題，發表在Nano-Micro Letters上。蘇州納米所助理研究員、博士王曉娜為論文第一作者，邸江濤、李清文、Ching-ping Wong為論文的通訊作者。

來源：蘇州納米技術與納米仿生研究所

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