Adv. Energy Mater.：溶液法制備出高體積比電容的全固態超級電容器

【引言】

柔性儲能器件在現代電子產品中已被廣泛應用，如移動智能手機，戶外穿戴儲能設備和其他能量存儲系統。目前為止人們不但發明了諸如薄膜電池、薄膜超級電容器等柔性儲能器件，更重要的是，科學家們利用自組裝、印刷和原位生長等納米技術，制備出了概念型的柔性儲能器件。然而，在面對商業化這一重大課題時，與非柔性器件相比，表現出了許多短板，主要是由于活性材料、電極和基底親和性較差造成的。全固態超級電容器（ASSSs）作為現代電子產品的新一代電子儲能器件，具有快充快放和超長循環性能等優點，主要產品有傳統的夾層式固態超級電容器和芯片上的微型超級電容器(MSCs)。人們在該領域做了許多工作，但任有許多難題等待人們去挑戰。

【成果簡介】

來自上海交通大學馮新亮教授、莊小東博士及長春應化所Niu Li（共同通訊作者）等展示了高性能柔性MSCs作品，他們使用溶液法制備過渡金屬納米層片（Ti₃C₂T_x ）和電化學剝落的石墨烯（EG）的復合物，以制備柔性儲能器件。經測試，MSCs的表面比電容高達3.26 mF cm^?2? ，2 mV s^?1的條件下體積比電容高達33 F cm^?3? ，在已報道的數據中，該數據已是石墨烯基底MSCs的超高水平。柔性ASSSs的薄層電極厚度僅有2.5微米，0.1 A cm^?3的測試條件下體積比電容高達216F cm^-3 ,優于其他電極活性材料。在復合電極中，石墨烯層的微型過渡族金屬顆粒不僅是活性材料緩沖層，還有隔離層的作用，阻止石墨烯層片間堆積過量不可逆的π–π建。

【圖文導讀】

圖1 準備材料和制造器件

a電化學剝落法制造石墨烯及穩定的IPA石墨烯分散液

b過渡族金屬納米層片的制造及其穩定的分散液

c EGMX1:3納米混合液的制造過程

注：a,b,c中的數碼照片是光路分別在EG, Mxene和 EGMX1:3溶液中散射的結果

d,e 具有柔性的EGMX1:3 層單獨的照片，及其對應的ASSS

圖2 EG, Mxene和 EGMX1:3 符合層的微觀形態照片

a,c ?EG和EGMX1:3納米復合層的TEM照片

b,d 過渡族金屬納米層和EGMX1:3復合層的SEM照片

a,b,c中的插圖分別對應EG,Mxene和EGMX1:3的選區電子衍射花樣

d中的插圖是EGMX1:3斷面的掃描電鏡圖像

圖3 ASSSs的電化學性能測試圖

a 掃描速率在20mV s^-1條件下，ASSSs分別在EG, MXene 和 EGMXx:y ( x:y = 1:3, 3:1, 1:9和 9:1)基底上CV曲線的比較圖

b ASSSs分別在EG, MXene 和 EGMXx:y ( x:y = 1:3, 3:1, 1:9和 9:1)基底上GCD曲線的比較圖

c 在0.2Acm^-3條件下ASSSs分別在EG, Mxene，EGMXx:y 以及rGOMX1:3基底上體積比容量的對比圖

d不同電流密度的條件下ASSSs分別在EG, Mxene，EGMXx:y 以及rGOMX1:3基底上體積比容量的對比圖

e ASSSs中EGMX1:3分別在10，20，50，100和200mV s^-1 掃描速率下的CV曲線圖

f ASSSs中EGMX1:3分別在0.1，0.2，0.5，1和2 Acm^-3 電流密度下的GCD曲線圖

g 不同電流密度條件下庫倫效率和體積比容量的統計圖

h 1A cm^-3的電流密度下循環2500次后ASSS中EGMX1:3的能量保留情況

i 與其他文獻中報道過的超級電容器的比較圖

圖4 ASSSs的柔性和電壓窗口測試圖

a 20mV s-1條件下，ASSSs分別彎曲30°，90°，180°時，EGMX1:3的CV曲線

b 不同彎曲角度下的數碼照片

c 200mV s-1條件下，不同電壓窗口下ASSS的CV曲線圖

d 單個ASSS，兩個ASSSs并聯，串聯和三個ASSSs串聯的GCD曲線，插圖是串并聯的示意圖

e,f 三個并聯ASSSs組對LED燈的發光效果，插圖是三個ASSSs組發光8分鐘后的效果

圖5 MSCs電化學和柔性的研究

a 以PET為襯底，MSC裝飾在EGMX1:3外層所組成器件的柔性照片

b EGMX1:3上MSC在10，20，50，100和200mV s-1條件下的CV曲線

c EGMX1:3納米復合層上MSC在不同掃描速率下的面積比容量和體積比容量

d 200mV s-1條件下，分別在平鋪和彎曲條件下循環2500次后的容量保留情況，插圖表示微型器件平鋪和彎曲時的照片

【小結】

作者通過溶液法處理Mxene和EG制備出薄膜電極，應用于全固態和微型平面超級電容器，5 mV s?1條件下獲得了面積比容量3.26 mF cm?2，體積比容量33 F cm?3優異性能，除此以外得益于質量輕、層間距大、導電性好、復合層狀電極完整性好的特點，0.1 mV s?1條件下，ASSS樣品取得了216 mF cm?2的超高效率。相信溶液法制備ASSSs和MSCs將會為電容器挑戰更高性能提供捷徑。

文獻鏈接：Flexible All-Solid-State Supercapacitors with High Volumetric Capacitances Boosted by Solution Processable MXene and Electrochemically Exfoliated Graphene (Adv. Energy Mater. ,2016, DOI: 10.1002/aenm.201601847)

本文由材料人編輯部新能源小組 YueZhou 整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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