頂刊動態 | AM/AEM等近期超級電容器研究進展【新能源周報第19期】

柔性可穿戴超級電容器至關重要的兩點即電極材料與結構設計，微型超級電容器則更注重電極結構的合成方法。本周的新能源周報將帶大家一覽近半個月來超級電容器在各大頂刊的研究進展。

1.Adv. Mater.：可透氣可穿戴的紙基能源存儲器件

兩種可透氣穿戴能源存儲器件的制備方法

近日，清華大學深圳研究生院的康飛宇和徐成俊課題組（共同通訊）報道了一種可透氣可穿戴的紙基能源存儲器件。這項工作所采取的策略是在普通無塵紙上通過反復浸漬-干燥的方法沉積碳納米管，繼而在碳納米管上再負載二氧化錳作為電極的活性物質。這種電極不僅擁有良好的電化學性能（如優異的倍率性和循環穩定性），而且具有足夠的柔性。通過采用PVA/KOH凝膠電解質將該電極組裝成固態柔性器件后能夠在0°–180°之間的任意角度重復彎曲，彎曲200次后仍有超過90%的電容保持率。進行打孔處理后，器件電容保持率高達94%。另外，該器件展示了與普通衣物相當的透氣性，表現出了良好的透氣性。這項工作給可透氣可穿戴儲能器件的制備提供了一種有效的策略。

文獻鏈接：Breathable and Wearable Energy Storage Based on Highly Flexible Paper Electrodes （Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602541）

2.Adv. Energy Mater.：基于紙質的二維過渡金屬碳化物的共面微型超級電容器

激光打印二維金屬碳化物的流程及實物圖展示

激光微型儲能器件由于其在可穿戴設備中有重要的應用而受到越來越多的關注。近日，阿卜杜拉國王大學的Husam N. Alshareef課題組（通訊作者）通過一種簡單的直接激光加工的方法成功組裝了一種基于紙質的二維過渡金屬碳化物微型超級電容器。這種方法能夠廣泛應用到基于其他基底的共面器件上。電極材料刻蝕過程的本質以及二維過渡金屬碳化物Ti₃C₂的形貌對于超級電容器的電化學性能有重要的影響。這些結果可以從物理尺寸，夾層間距以及電導率等方面來解釋。這項工作給基于二維材料的紙質超級電容器的制備提供了一種新的思路。

文獻鏈接：MXene-on-Paper Coplanar Microsupercapacitors（Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601372）

3.Adv. Energy Mater.：采用切、轉移策略實現擁有三維集流體的混合微型電容器

三維混合微型電容器的制備過程

阿卜杜拉國王科技大學的Husam N. Alshareef等（通訊作者）采用激光打印三維的泡沫鎳集流體的方法實現了三維共面的混合微型電容器。合成的器件展現出優越的電化學性能，其功率密度可達200 μWh cm^?2，是目前報導的功率密度最高的微型超級電容器。其能量密度可達4.4 mW cm^?2，可與微型電池和薄膜電池相比擬。這為進一步開發性能優異的微型超級電容器提供了一定借鑒意義。

文獻鏈接：Hybrid Microsupercapacitors with Vertically Scaled 3D Current Collectors Fabricated using a Simple Cut-and-Transfer Strategy（Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601257）

?4.Nano Lett.：垂直的石墨烯納米墻用于高電壓雙電層電容器的新方法

石墨烯納米墻及粉末的結構對比原理圖

雙電層電容器（EDLCs）的電壓窗口偏低一直是局限其能量密度及功率密度的問題。國立清華大學的胡啟章等（通訊作者）通過尋找匹配的電極材料與電解液的思路，采用三種策略擴展了EDLCs的電壓窗口。通過構造不活潑的電極表面可以承受更好的電壓。石墨烯納米墻結構及氮摻雜的石墨烯納米墻結構可分別實現在正極材料拓寬至1.5 V而在負極材料拓寬至-2.5 V（有機電解質）。由此兩種電極材料獲得的非對稱器件電壓窗口可拓寬至4 V，其能量密度達52 Wh kg^-1，功率密度達13 Wh kg^-1。這將為雙電層電容材料與鋰離子電極材料有效組合成混合電容器提供了一種更大的可能性。

文獻鏈接：New Approach for High-Voltage Electrical Double-Layer Capacitors Using Vertical Graphene Nanowalls with and without Nitrogen Doping（Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02401）

5.Adv. Funct. Mater.：二維納米片與介孔碳納米棒的復合材料用于電催化和非對稱超級電容器

二維納米片與介孔碳納米棒的復合材料的制備過程

碳材料作為一種電化學活性物質一直吸引了研究者們極大的興趣。然而關于碳材料的孔道能否作為一種支撐結構去協調能量存儲與轉換這方面的知識卻極其缺乏，其重要的原因就是缺乏相應的手段去生產多孔碳材料。基于此，鄭州大學的張佳楠、許群及北京大學的郭少軍等（共同通訊）近日報道了一種二維納米片與介孔碳納米棒的復合材料用于電催化作用和非對稱超級電容器。其中，MoS₂@OMCRs（有序多孔碳納米棒）的復合材料在析氫反應中開啟電壓低至105 mV，塔菲爾斜率為40 mV dec^-1。MoS₂@OMCRs和MnO₂組成的非對稱超級電容器電位窗口高達2 V，在0.2 A g^-1的電流密度下質量比電容達到100 F g^-1，在功率密度為200 W kg^-1時能量密度達到55.2 Wh kg^-1。

文獻鏈接：2D Thin Nanoflakes Assembled on Mesoporous Carbon Nanorods for Enhancing Electrocatalysis and for Improving Asymmetric Supercapacitors （Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201603504）

?6.Nano Energy: 分層的介孔NiO納米陣列用于液體混合型超級電容器

分層介孔的NiO材料制備過程

為了提高儲能材料的能量密度和功率密度，合成具有分層的介孔結構的電極材料受到越來越多的關注。近日，北京化工大學的劉軍楓課題組（通訊作者）通過簡單的水熱和模板刻蝕的方法成功合成了一種分層的介孔NiO納米陣列用于混合型的超級電容器。該混合超級電容器的電位窗口達到1.6 V，在5 mA cm^-2的電流密度下質量比電容達到3114 F g^-1 ，在320 W kg^-1的功率密度下能量密度達到67.0 Wh kg^-1，循環6000次后任有89.6%的電容保持率，顯示了良好的循環穩定性。

文獻鏈接：Hierarchical mesoporous NiO nanoarrays with ultrahigh capacitance for aqueous hybrid supercapacitor（Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.09.012）

?7.Nano Energy：自組裝模板氮摻碳氣凝膠用于高倍率超級電容器

自組裝模板氮摻雜碳氣凝膠制備過程及實物展示

近日，河南師范大學的魏獻軍及高書燕等（共同通訊）報道了一種采用自組裝模板法合成的三維交聯多孔氮摻碳氣凝膠用于高倍率超級電容器。該電極材料的比表面積高達2016 m² g^-1，組成的非對稱器件質量比電容達到467 F g^-1，在20 A g^-1的電流密度下循環10000次仍有85.7%的電容保持率。該器件在262.5 W kg-1的功率密度下能量密度達到22.75 Wh kg^-1，在9572 W kg^-1的功率密度下能量密度達到7.6 Wh kg^-1。

文獻鏈接：Self-assembly-template engineering nitrogen-doped carbon aerogels for high-rate supercapacitors（Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.023）

8.Nano Energy：界面相容性誘導的雙毛細吸管碳納米纖維用于柔性雙電層電容器

雙毛細吸管碳納米纖維制備過程及形貌

超級電容器電極材料的孔隙率和柔性是難以兼容的問題。南京航空航天大學的張校剛與日本國家材料科學研究所的Yusuke Yamauchi等（共同通訊）通過同軸靜電紡絲技術以及界面相容誘導法合成了雙毛細吸管狀的碳納米纖維，其中內層毛細吸管為微孔結構而外層為介孔結構。該結構實現了電解液可穿透、短的離子擴散距離以及柔性等的協同效果。以該電極材料制備的柔性器件可達到133 F g^-1的電容量以及優異的倍率性能。最大能量密度及功率密度實現了56.6 Wh kg^-1 和114 kW kg^-1。這種將可批量生產的共軸靜電紡絲技術與超級電容器結合的嘗試將為實現柔性可穿戴及安全的電子器件鋪好道路。

文獻鏈接：Interface miscibility induced double-capillary carbon nanofibers for flexible electric double layer capacitors （Nano Energy, 2016, DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.043）

本文由材料人編輯部新能源學術組 能源小兵 供稿，點這里加入材料人的大家庭。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。