濟南大學Nano Energy：高能量密度柔性PPy/MnO2非對稱超級電容器的組裝設計

【引言】

隨著便攜式電子設備需求的快速增長，柔性、輕質的超級電容器是一種新型的儲能器件，以其高的能量密度和安全性受到廣泛的關注。作為超級電容器的重要組成部分，電極材料決定著器件的整體性能。過渡金屬氧化物、導電聚合物等贗電容材料資源豐富、綠色環保、電化學性能優越，其中二氧化錳電極材料由于導電性能低、使其在電化學反應中不能進行高效的自由電子和離子的輸運。為了增加材料的導電性和活性面積，提高材料的穩定性，進行電極材料形貌的和結構的調控是至關重要的。

【成果簡介】

濟南大學徐錫金教授（通訊作者）與華中科技大學翟天佑教授（通訊作者）合作在Nano Energy在線發表題為“Flexible and High Energy Density Asymmetrical Supercapacitors based on Core/Shell Conducting PolymerNanowires/ Manganese Dioxide Nanoflakescore/shell”的文章，報道了一種低溫，簡單，環保的方法合成PPy納米線為導電骨架和極薄的MnO₂納米片為殼的納米結構。這種核殼結構高效的增加了MnO₂的活性面積和導電性，也提高了PPy的電化學穩定性，進而縮短了離子的傳輸距離。PPy@MnO₂核殼結構具有高的比電容(276 F g^?1 在電流密度為2 A g^?1時)和極高電容保持率72.5%(200 F g^?1在電流密度為20 A g^?1). 并進一步以PPy@MnO₂核殼結構為超級電容器的正極材料，以超級電容活性炭(AC)為負極材料組裝成超柔性非對稱電容器。得到的超級電容器擁有杰出的穩定性(在3 A g^?1時循環6000次保持初始電容值的90.3%)，機械柔韌性，寬的電壓窗口(1.8-2.0 V)和高的能量密度(25.8 W h kg^?1在功率密度為901.7 W kg^?1)。這種策略采用簡單的方法制備低成本的電極材料，將促進柔性儲能裝置的快速發展。

【圖文導讀】

圖1：MnO₂納米片，PPy納米線和PPy@MnO₂核殼結構的合成示意圖，形貌表征和結構、成分分析

(a)PPy納米線@MnO₂納米片核/殼納米結構合成示意圖。

(b, c)和(d, e) MnO₂納米片的高低倍SEM圖和PPy納米線SEM圖。

(f, g)PPy納米線@MnO₂納米片SEM圖。

(h, i) PPy@MnO₂核/殼納米結構的EDS元素分布圖。

(j)PPy納米線@MnO₂納米片的XRD圖譜。

圖2：PPy@MnO₂核殼結構的電化學電容性能表征及分析

(a)MnO₂、PPy、ACFC和PPy@MnO₂核/殼納米結構在30 mV s^-1下的CV 曲線對比圖。

(b)MnO₂、PPy、ACFC和PPy@MnO₂核/殼納米結構在3A g^-1下的GCD曲線圖。

(c)三種不同電極材料的倍率性能圖。

(d) PPy納米線@MnO₂納米片電極材料在不同掃速下的CV圖。

(e)PPy納米線@MnO₂納米片電極材料在不同電流密度下的恒流充放電圖

(f)在3 A g ^-1的電流密度下PPy納米線和PPy納米線@MnO₂納米片電極的循環壽命圖及電極在循環前后顏色的變化。

圖3：非對稱超級電容器的組裝示意圖、工作電壓和柔韌性的測試

(a)非對稱超級電容器的組裝示意圖。

(b) 非對稱柔性超級電容器的柔韌性數字圖像。

(c)PPy@MnO₂核/殼納米結構與AC電極在掃描速率為30 mV s^?1的CV曲線。

(d)PPy納米線@MnO₂納米片非對稱柔性超級電容器在掃描速率為30 mV s^?1下的CV曲線。

圖4：PPy納米線@MnO₂納米片非對稱柔性超級電容器的電化學電容性能表征及分析

(a) PPy納米線@MnO₂納米片非對稱柔性超級電容器在不同掃速下的CV圖。

(b)PPy納米線@MnO₂納米片非對稱柔性超級電容器在不同電流密度下的恒流充放電圖。

(c)非對稱柔性超級電容器的循環穩定性測試。

(d)非對稱柔性超級電容器與已報道的超級電容器的對比Ragone plot圖。

(e)非對稱柔性超級電容器的機械柔韌性研究。

(f)一片和兩片非對稱柔性超級電容器串聯恒流充分電圖及簡單應用。

【總結與展望】

該種PPy@MnO₂核殼結構，通過協調充分利用MnO₂在中性電解液中的高穩定性和聚合物PPy的優良導電性，構建了快速、豐富、高效的電子和離子輸運路徑，有效的解決了PPy在中性電解液下的不穩定性。組裝的柔性超級電容器擁有杰出的穩定性，機械柔韌性，寬的電壓窗口和高的能量密度。更重要的是，該方法可以適用于大規模制備環境友好型的聚吡咯雜化復合材料，很容易推廣到制備其他的高性能儲能納米電極材料。

【參考文獻】

文章鏈接：Flexible and high energy density asymmetrical supercapacitors based on?core/shell conducting polymer nanowires/manganese dioxide nanoflakes (Nano Energy 2017 DOI:?http://dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.03.045)

本文由濟南大學徐錫金教授投稿，材料牛編輯大城小愛整理編輯。

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