頂刊動態 | EES/AEM等近期超級電容器學術進展【新能源周報第17期】

新型結構的超級電容器如微型超級電容器等的應用前景越來越廣泛，得到了廣大研究者的密切關注。另外，對于電極材料的研究對于超級電容也是至關重要的。本期新能源周報帶大家來看看近期關于這兩個方面的學術進展。

1.Energy Environ. Sci.: 二維過渡金屬碳化物全固態微型超級電容器

二維過渡金屬碳化物微型超級電容器制備過程

微小輕便的電子器件如微型超級電容器近幾年的快速發展引起了人們的極大興趣。具有交叉式電極結構的微型超級電容器相比于三明治型的超級電容器具有更高的功率密度和倍率性能，相比于微型電池則具有更高的循環壽命。碳材料和過渡金屬氧化物經常被用于微型超容的電極材料，然而，微型超容的面積電容和體積電容又常常受限于這些材料較低的堆積密度和較差的導電性。

基于此，美國德雷塞爾大學的Gogotsi（通訊作者）課題組采用旋涂和激光切割的方法成功組裝了一種基于新型的過渡金屬碳化物Ti₃C₂T_x的全固態微型超級電容器。這種新型的二維材料具有許多顯著的優點，例如相較于石墨烯具有較高的質量比電容和更大的堆積密度（~4.0 g cm^-3），且導電性良好。這種微型超容在20 mV s^-1 的掃速下面積比電容可達27 mF cm^-2 ,體積比電容可達 357 F cm^-3 ，并且在50 mV s^-1 的掃速下循環10000次電容保持率高達100%。這項研究給高性能的微型超級電容器提供了一種新的設計思路。

原文鏈接：All-MXene (2D titanium carbide) solid-state microsupercapacitors for on-chip energy storage (Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE01717G)

2.Adv. Energy Mater.：基于紡織物的可穿戴的平面微型超級電容器

新型平面微型電容器制備過程及其應用展示

可穿戴的能源存儲器件的需求量正在逐年增大。特別地，那些有集成電子元件的智能紡織物迫切地需要能被直接編入衣服中與供能器件連接起來使用。傳統的硬性電池已被廣泛應用于各種智能紡織物中，然而其非柔性極大地限制了它們的多功能應用。理想的智能紡織物的供能器件也應該是以紡織物的形式存在。

基于此，北京納米能源與系統研究所的胡衛國及王中林等（共同通訊）報導了一種基于紡織物的可穿戴平面微型超級電容器。相比于傳統的三明治結構的超級電容器，這種平面器件擁有更加優異的電化學性能。該器件在0.01 V s^-1的掃速下面積比電容高達8.19 mF cm^-2，經過10000次循環后電容有91%的保持率。掃速從0.01 V s^-1增大到2 V s^-1，電容仍有良好的保持率53%。這種新概念的紡織物微型超級電容器在智能紡織物和可穿戴電子產品中具有廣闊的應用前景。

原文鏈接： Wearable Textile-Based In-Plane Microsupercapacitors (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601254)

3.Adv. Energy Mater.：分層的氮摻雜多孔碳/聚苯胺電極用于非對稱超級電容器

氮摻雜多孔碳/聚苯胺電極制備流程

活性炭基于其自身的各種優勢，被廣泛應用于非對稱超級電容器的陽極材料。然而，大多數的商用活性炭由于其微孔中沒有足量的離子擴散導致其倍率性能較差，極大地限制了其能量密度和功率密度。因此，近年來研究者們設計了各種分層的多孔碳材料以取代活性炭。

鑒于此，上海復旦大學的方曉生（通訊作者）課題組報道了一種分層的多孔氮摻雜碳/聚苯胺的納米復合材料。他們通過將面粉，尿素和KOH經過一步碳化的方法，成功合成了這種三維交聯的蜂窩狀的結構，其比表面積高達1294 m² g^-1? ，質量比電容可達383 F g^-1。在該碳電極表面原位聚合聚苯胺后質量比電容高達1080 F g^-1 ，再將其與摻氮的多孔碳電極組成非對稱器件后質量比電容可達134 F g^-1 ，功率密度可達60.3 Wh kg^-1， 循環5000次后電容仍保持91.6%。該工作在高容量的儲能設備上有廣闊的應用前景。

原文鏈接：A Novel Sustainable Flour Derived Hierarchical Nitrogen-Doped Porous Carbon/Polyaniline Electrode for Advanced Asymmetric Supercapacitors (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601111)

4.Adv. Energy Mater.：PPy鏈與MXene的復合材料用于柔性，自支撐的超級電容器電極

PPy鏈與MXene的復合材料的制備流程及實物展示

導電聚合物聚吡咯由于其高的電化學活性和固有的柔性被廣泛應用于超級電容器，但有限的電容量和循環穩定性限制了它的應用。黏土，擁有二維的層狀結構，該結構有利于阻止聚吡咯的緊密堆疊，從而形成有利于離子傳輸的多孔結構。但黏土是絕緣體，因此不適用于改善聚吡咯薄膜。

受此結構的啟發，香港城市大學的支春義（通訊作者）等人合成了一種新型的二維過渡金屬碳化物MXene（l-Ti₃C₂）以替代絕緣的黏土。通過電泳合成l-Ti₃C₂薄膜，并在該薄膜上聚合聚吡咯得到的這種自支撐的復合電極，具有優異的電化學性能。其面積比電容可達203 mF cm^-2 ,進行20000次充放電循環后電容保持率接近100%，有效地解決了聚吡咯有限的電容量和循環穩定性的問題。將該自支撐的PPy/ l-Ti₃C₂復合薄膜組成固態的對稱超級電容器后，面積比電容可達35 mF cm^-2，在任何彎曲狀態下循環10000次仍有穩定的電容性能。該工作提供了一種新方法來設計和組裝導電聚合物基的超級電容器。

原文鏈接：Highly Flexible, Freestanding Supercapacitor Electrode with Enhanced Performance Obtained by Hybridizing Polypyrrole Chains with MXene (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201600969)

5.Nano Energy: 由植物果實得到的三維框架多孔碳納米片用于高性能的超級電容器

榆樹果實獲得活性炭的制備過程

活性碳基的超級電容器由于其具有較長的循環壽命，較快的充放電速率而備受關注，但由于能量密度低和導電性差而限制了其在商業上的應用。超級電容器的存儲能量正比于電容量和電位窗口的平方，而這兩個參數又取決于比表面積，孔狀結構，雜原子的摻雜對電極材料的影響。 然而，如果不能設計出合適的結構去高效利用比表面積，則比表面積的絕對大小這個參數是沒有意義的。

基于此，哈爾濱工業大學的孫曄，于淼及丹麥奧胡斯大學的Flemming Besenbacher（共同通訊）等近日報導了一種以榆樹翅果為原材料，具有三維框架多孔納米片結構的碳基電容材料。該碳材料由簡單的碳化和活化處理得到，在三電極系統和6 mol L^-1 的KOH電解質中質量比電容可達470 g^-1 ,而在二電極系統1 A g^-1下質量比電容可達310 F g^-1 ，在200 mV s^-1 的掃速下仍有較高的倍率性能72%，循環50000次電容量只損失了2%。另外，這種電極材料的能量密度高達25.4 Wh kg^-1,功率密度可達15 kW kg^-1。這種具有特殊結構的材料由于價格低廉，合成方法簡單，性能優異，使得其在能源存儲領域具有可持續的應用潛力。

原文鏈接：Three-dimensional scaffolding framework of porous carbon nanosheets derived from plant wastes for high-performance supercapacitors (Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.07.020)

6.Nano Energy: 從蝦殼中得到的具有彈性的摻氮的碳納米纖維微球用于快充超級電容器

具有彈性的摻氮的碳納米纖維微球制備過程

從海鮮食物殘渣中獲取的蝦殼自然易得，來源豐富，可作為摻氮碳材料的原材料，但由于其難溶性而限制了對它們的加工和進一步的應用。近日，華中科技大學的黃亮及武漢大學的張俐娜等（共同通訊）采用的策略是先利用分子自組裝技術構建納米纖維微球，隨后進行碳化將其轉化為摻氮的碳微球用于超級電容器的應用。這種碳材料由于其穩固的相互交聯的三維網狀結構以及超高的比表面積（大約1000 m²/g）從而具有優異的倍率性能和循環壽命，掃速從5 mV s^-1 掃到10000 mV s^-1后電容仍有50%的保持率，在50 mV s^-1的掃速下循環10000次電容保持率高達96%。在有機電解液中，能量密度可達58.7 Wh kg^-1。這項工作給力求從可再生能源中獲得能源存儲材料的科技工作者提供了一種新策略。

文獻鏈接：Unique elastic N-doped carbon nanofibrous microspheres with hierarchical porosity derived from renewable chitin for high rate supercapacitors (Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.07.034)

?7.Nano Energy: 碳修飾的Na₂Ti₃O₇. 2H₂O納米帶用于高性能的超級電容器

碳修飾的Na₂Ti₃O₇. 2H₂O納米帶制備過程

柔性可穿戴的超級電容器在近年來受到越來越多的關注。然而，如何給電極材料設計優良的結構從而獲得最優化的性能是一個巨大的挑戰。因此，需要探索新型的電極材料并設計出更加優化的微觀結構。鑒于此，重慶大學的奚伊（通訊作者）課題組近期通過簡單的水熱法成功合成了一種具有層狀結構的新材料Na₂Ti₃O₇. 2H₂O納米帶。這種新型的電極材料用碳進行修飾后可增強其導電性，組成器件后具有優異的電化學性能。在25 mV s^-1 的掃速下質量比電容高達459.71 F g^-1 ,在功率密度為478 W kg^-1的情況下能量密度為33.2 Wh kg^-1。循環6000次后仍有74.3%的電容保持率。將三個超級電容器器件串聯后可以點亮一百盞綠色的商用LED燈10 min。這項工作給高性能超級電容器的電極材料提供了一種新的選擇。

文獻鏈接：Carbon-modified Na₂Ti₃O₇·2H₂O nanobelts as redox active materials for high-performance supercapacitor (Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.021)

本文由材料人編輯部新能源學術組 能源小兵 供稿，點這里加入我們。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。