Energy Storage Materials：無充電極性的柔性非對稱超級電容器

Nano 6年前 (2017-10-17) 4923瀏覽

【引言】

超級電容器由于具有較高的功率密度和超長的循環壽命等電化學特征，成為電化學儲能體系的研究前沿；特別是近年來高性能柔性非對稱超級電容器（FASCs）的興起，促進了柔性、便攜、可穿戴電子設備的發展。但分析發現，所有已報道的ASCs都像二次電池一樣充電時需要區分正負極，只能在一個方向上充電。在實際使用中，誤用充電方向可能會嚴重破壞電容器的結構，通常只能通過額外的工程保護來避免。另一方面，構建ASCs所用到的諸多電極材料（贗電容或電池材料）的本征導電性較差，且電極結構中離子擴散受限，限制了ASCs的電容量和高倍率性能發揮，通常只能通過較為繁鎖的物理/化學合成過程來制備復合電極一定程度上解決上述問題。因此，無論是從基礎研究還是從實際應用角度考慮，設計結構簡單、高性能（穩定，具有快速電荷傳遞動力學）的ASCs電極，構建無充電極性的非對稱超級電容器器件是一件非常有意義的事情。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學劉金平教授（通訊作者）團隊在Energy Storage Materials 上發文，題為“A non-polarity flexible asymmetric supercapacitor with nickel nanoparticle@carbon nanotube three-dimensional network electrodes”。研究人員設計了一種新型柔性非對稱超級電容器，該FASC是采用CVD法在碳布上生長的Ni@CNT三維網狀薄膜電極作為正負極，堿性水溶液作為特定電解質進行組裝的，可以在不區分電極極性的情況下進行充電。在此設計中，其中一個電極上發生活化Ni納米顆粒與OH-的氧化還原反應，而另一個電極通過CNTs與電解液表面產生的雙電層進行儲能，使得整個器件具有非對稱性特征和1.8 V的高電壓。研究人員使用PVA-KOH凝膠電解質組裝成的準固態柔性器件能夠提供1.39 mAh cm-3的高體積能量密度，440 mW cm-3的功率密度以及高達10000次的優良的循環性能。基于上述特殊的器件結構和儲能機理，在頻繁交替充電方向的情況下，此FASC展示出幾乎不改變充放電曲線形狀，保持良好的循環穩定性，并驅動小型電子設備運行的特征。

【圖文導讀】?

圖1 Ni@CNT電極結構原理示意圖

a) FASC器件結構和電荷存儲機理示意圖；

b) FASC器件不同方向充電示意圖；

圖2 Ni@CNT電極結構表征

a) Ni@CNT電極的SEM圖像和光學圖像;

b) Ni@CNT電極的TEM圖像；

c) Ni@CNT電極的HRTEM圖像；

d) Ni@CNT電極的XRD圖譜；

圖3 Ni@CNT電極及器件在不同電解液中的電化學性能

a) Ni@CNT 電極在正負電勢窗口的CV曲線（10mV/s）；

b) Ni@CNT 電極分別在KOH和K2SO4溶液中的CV曲線（20mV/s）；

c) ASC 器件在KOH和K2SO4溶液中的CV曲線（50mV/s）；

d) ASC 器件在KOH和K2SO4溶液中的GCD曲線（20mA cm-2）；

圖4 FASC準固態器件的電化學性能（PVA-KOH）

a) FASC器件的CV 曲線；

b) FASC器件的放電曲線；

c) 不同充電方向條件下不同電流密度對應的電容；

d) FASC器件的在不同充電方向條件下的GCD曲線；

e) FASC器件的EIS Nyquist曲線；

f) 電容電流與實際電流相比的電壓分布圖（50mV/s）

圖5 FASC器件的循環性能及無充電極性特征

a) FASC器件在頻繁轉換充電方向條件下的循環穩定性；

b) FASC器件串聯點亮LED燈圖片；

圖6 FASC器件柔性表征

a) 能量-功率密度比較圖；

b) FASC器件驅動馬達；

c) FASC器件不同彎曲程度；

d) FASC器件不同彎曲程度下的CV曲線（50mV/s）；

【總結】

研究人員采用CVD法在碳布上生長三維Ni@CNT網絡，將其組裝成一種新型無充電極性的FASC器件。Ni@CNT電極同時作為正負極，在堿性電解液中具有良好的電荷存儲性能。為了實現器件的柔性和便攜化，研究人員采用PVA-KOH凝膠電解質裝配的柔性FASC器件可以提供高體積能量密度、功率密度、優異的機械穩定性和超長循環壽命等優良性能。最重要的是，該FASC器件可以在不區分電極極性和增加特殊保護設備的情況下充電，使它在實際應用中非常方便，有望減少實際制造成本。

文獻鏈接：A non-polarity flexible asymmetric supercapacitor with nickel nanoparticle@carbon nanotube three-dimensional network electrodes (Energy Storage Materials, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.09.013)

本文由材料電化學團隊姜雨琪供稿。

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