Energy Environ. Sci.：全木制超級電容器

【引言】

超級電容器是重要的儲能器件之一。近來許多研究工作致力于新型材料的開發，如碳基電極、金屬氧化物和過渡金屬氧化物等。而不改變電極材料化學組分，僅通過改良電極材料和整個器件的結構來提升電化學性能的研究工作較少。結構的設計也是同樣的重要，這能使得活性材料得到充分利用，促進電子和離子傳輸，尤其體現著厚電極上。

具有高負載量的厚電極是人們追求的目標，它不僅能使得超級電容器具有很高的能量密度，還可以減少非活性材料的使用從而節省制造成本。但是在實際應用中，電子和離子在厚度方向的傳輸很有難度，且厚電極容易變形。有文獻報道稱降低電極材料的彎曲度可以促進離子遷移過程，這有利于倍率性能，尤其用在厚電極上。獲得高負載量，同時保持低彎曲度，并具有良好的離子/電子傳導性和低變形性的厚電極是一個挑戰。

【成果簡介】

最近，華中科技大學謝佳教授和馬里蘭大學帕克分校胡良兵教授（共同通訊作者）在Energy & Environmental Science發表題為“All-wood, Low Tortuosity, Aqueous, Biodegradable Supercapacitors with Ultra-High Capacitance”的文章，展示了一種全木制的非對稱超級電容器。該超級電容器采用活性木炭（AWC）作為負極，木制薄膜作為隔膜，MnO₂/木炭（MnO₂@WC）作為正極。這三個組分均來自天然木材，具有獨特的各向異性結構，沿著生長方向有很多開放的孔道，可供離子直接傳輸。該電極材料不僅具有較大的負載量，而且變形性也小，因此該全木制超級電容器表現出相當高的能量/功率密度和循環穩定性。全木制材料價格低廉還可生物降解，是一種有綠色可再生的儲能器件。

圖文導讀：

圖1：全木制超級電容器示意圖

全木制結構的非對稱超級電容器的設計構思以及構建流程的示意圖。沿著徑向切割得到設計厚度的木塊，再進行后續處理。

圖2：AWC的形貌和電化學性能

(a-e) AWC的SEM圖，分別是(a)頂視圖，(b)a的放大圖，(c)橫截面圖，(d)孔道，(e)孔道內的納米孔。

(f) AWC多級孔結構的示意圖。

(g-i) 分別是AWC不同測試條件下的CV曲線、恒流充放電曲線、倍率性能圖。

圖3：MnO₂@WC的形貌和電化學性能

(a) 原生木材的SEM圖。

(b-e) MnO₂@WC的SEM圖，分別是(b)頂視圖，(c)a的放大圖，(d)孔道以及孔道內原位生長的MnO₂納米片的插圖，(e)頂視圖和橫截面圖，插圖顯示MnO₂@WC的厚度。

(f) 孔道內C、Mn、O等元素映射圖。

(g-h) MnO₂@WC復合材料的TEM圖和高倍率TEM圖，h中插圖為MnO₂@WC復合材料的SAED圖。

(i-k) 分別是MnO₂@WC復合材料不同測試條件下的CV曲線、恒流充放電曲線、倍率性能圖。比電容的計算是基于MnO₂@WC的總質量（~75 mg/cm²）。

圖4：AWC//木制隔膜//MnO₂@WC器件的電化學性能

(a) AWC負極、木制隔膜、MnO₂@WC正極的圖像。

(b) 全木制超級電容器的圖像。

(c) AWC負極和MnO₂@WC正極在電位窗口為-1~0.8 V之間典型的CV曲線。

(d) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC在不同電位窗口范圍下CV曲線。

(e) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC在不同掃速下的CV曲線。

(f) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC在不同電流密度下的恒流充放電曲線。

(g) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC的倍率性能。

(h) AWC//木制隔膜//MnO₂@WC的循環性能。

比電容的計算是基于兩個電極的總質量。

圖5：全木制非對稱超級電容器展示

(a-f) 分別是(a)大尺寸的AWC負極，(b)大尺寸的MnO₂@WC正極，(c)大尺寸的木制隔膜，(d)凝膠電解質，(e,f)大尺寸的器件。

(g) 全木制超級電容器點亮LED燈。

(h) 全木制超級電容器和其他報道的電極材料的面積比電容、能量密度和電極厚度對比。

【小結】

研究者簡單的構建了一種全木制結構的非對稱超級電容器器件，負極為活性木炭，隔膜為木制薄膜，正極為MnO₂/木炭，并采用凝膠電解質。組裝的全木制超級電容器具有很高的面積比電容（3.6 F/cm²）、很高的功率/能量密度（在1044 mW/cm²下高達~1.6 mWh/cm²），以及在高負載下（(~75 mg/cm²）保持長循環穩定性。這種不改變化學組分而僅調節電極和器件結構的全新設計理念十分高效，開拓高性能儲能器件研究新方向。

文獻鏈接：All-wood, Low Tortuosity, Aqueous, Biodegradable Supercapacitors with Ultra-High Capacitance (Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE03716J)

本文由材料人新能源組 蒜頭 供稿，材料牛編輯整理。

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