自支撐復合材料氣凝膠電極組裝出具有超高能量密度的柔性全固態超級電容器

隨著可穿戴電子和便攜式電子設備如柔性顯示屏、電子皮膚、智能服裝等的出現和發展,對能源儲存器件的安全性、可靠性及柔韌性等提出瞭更高的要求。超級電容器是一種介於傳統電容器和電池之間的新型儲能器件,通過在電極材料和電解質界面快速的離子吸脫附或完全可逆的法拉第氧化還原反應來存儲能量。因其具有電池難以企及的高電容值、高功率密度、長循環壽命和低維護成本等優勢引起瞭廣泛的關註和研究。盡管超級電容器有諸多優點,然而其能量密度(<10Wh/Kg)通常比鋰離子電池(>100Wh/Kg)要小很多,因此制約瞭其廣泛應用。

根據能量密度公式E=1/2CV2,可通過提高超級電容器電極的比電容(C)以及電解液的工作電壓(V)來提高其能量密度(E)。最近,美國威斯康星大學麥迪遜分校的Shaoqin Sarah Gong教授(通訊作者)和博士生Qifeng Zheng(第一作者)采用上述策略,制備瞭一種自支撐復合材料氣凝膠電極,並開發瞭一種離子液體/高分子固態電解液,組裝出具有超高能量密度的柔性全固態超級電容器(Q.Zheng,A.Kvit,Z.Cai,Z.Ma,S.Gong,A freestanding cellulose nanofibril-reduced grapheneoxide-molybdenum oxynitride aerogel film electrode for all-solid-statesupercapacitors with ultrahigh energy density,J Mater Chem A(2017)。

自支撐復合材料氣凝膠電極組裝出具有超高能量密度的柔性全固態超級電容器

該電極具有眾多優勢:

1、將長徑比高、比表面大的一維(CNF、MoO3)和二維(GO)材料復合,易形成自支撐電極材料;

2、在將氣凝膠中的氧化石墨(GO)通過水合肼蒸汽原位還原成石墨烯(RGO)的過程中,CNF和MoO3有效地阻止瞭RGO的聚集,充分發揮瞭石墨烯的儲能作用;

3、在還原過程中,MoO3被部分還原並引入瞭少量氮原子摻雜形成贗電容材料MoOxNy,顯著提高瞭電極的導電性、電化學穩定性及比電容值;

4、三維微孔電極可負載更多的電活性材料從而提高其總容量,且貫通孔結構極大地促進瞭離子或電荷在電極活性材料表面的移動。該電極在1.0 M硫酸電解液中展示出超高的質量比電容(680 F/g)和面積比電容(1700 mF/cm2);在離子液體電解液中也具有超高的質量比電容(518 F/g)和面積比電容(1295 mF/cm2)。

將上述電極與基於離子液體/高分子的固態電解液(PVDF-P407-[BMPY][NTf2]Ionogel Electrolyte)組裝成對稱的全固態柔性超級電容器,其工作電壓可達3.6伏,遠高於常用的PVA/H2SO4固態電解液。該超級電容器展示出262 F/g的質量比電容,並且在2000次的循環充放電測試後,其電容值反而提高到初始值的106%。同時,該器件展示出非常優越的柔韌性,在將其折疊成不同角度測試過程中,發現其循環伏安曲線幾乎沒有任何變化。引人註目地,該全固態柔性超級電容器的能量密度可到到114 Wh/kg(18.8 Wh/L),是目前文獻已報道的全固態超級電容器中的最高值,並且達到瞭可以跟鋰離子電池相媲美的程度(圖2)。

自支撐復合材料氣凝膠電極組裝出具有超高能量密度的柔性全固態超級電容器

該工作通過巧妙的材料體系設計與簡單的制備方法,針對性地解決超級電容器存在的問題。氣凝膠的三維多孔結構解決超級電容器中離子傳輸的問題,MoO3的氮摻雜解決贗電容材料導電性和循環性的問題,離子液體電解液解決工作電壓的問題,自支撐多孔電極和高分子固態電解液解決柔性問題。該研究對高能量密度、高功率密度的柔性能源儲存器件的研發具有重要的參考價值。

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