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超轻、免粘结剂的全固态柔性超级电容器

柔性储能装置因其自身独有的特点,使其在诸多领域倍受关注。在目前的柔性能量转换和存储系统中,已经涵盖光伏、纳米发电机、锂离子电池和超级电容器,并应用于柔性可穿戴和能源自给型设备。其中,超级电容器兼具功率密度高、循环寿命成、制造成本低等优点。

在超级电容器的电极材料中,纳米碳材料是使用最为广泛的一种。虽然他们具有高导电性化学稳定性机械耐久性和较大的比表面积,然而其低电容特性又进一步限制了其实际应用。

另一方面,赝电容材料(诸如:Co3O4、MnO2、Mn3O4等)由于其利用快速和可逆的氧化还原反应进行能量的存储的释放,因此具有超高的电容。但是几乎所有的赝电容材料导电性普遍较差,很大程度上限制了电荷转移,由此降低了材料的整体储能密度。

在此,德克萨斯大学奥斯汀分校范冬蕾教授课题组创造了一种新型的3D多层多孔石墨泡沫(MPG)和MPG/Mn3O4复合材料,基于此可以制备出高性能、全固态的超轻免粘结剂柔性超级电容器,并将其成果发表于国际材料期刊Advance Funtional Materials上。

超轻、免粘结剂的全固态柔性超级电容器图1. (a,b)多层多孔Cu-Ni泡沫的SEM图像; (c,d)3D超轻多层多孔石墨泡沫(MPG)在孔径为1.9μm下的SEM图像。

超轻、免粘结剂的全固态柔性超级电容器

图2.柔性全固态超级电容器的全电池测试。(a)顶部显示的是测试设备的照片,底部显示的曲率测试; (b,c)不同弯曲状态下的电化学阻抗谱和CV曲线(100 mV/s); (d)在r=3.5进行曲率测试后电容保持率; (e)基于纯活性材料与所制备的对称系统相比,超级电容器装置的Ragone图(橙色星号:基于纯活性材料的结果;紫色星号:基于整个电极的质量结果)。

超轻、免粘结剂的全固态柔性超级电容器

图3.(a)能源自给型应变传感器的示意图:与应变传感器集成的柔性全固态超级电容器;(b)实时监测手指弯曲,顶部插图:手指在测试中的照片; (c)实时监测劲动脉脉搏,插图是集成器件的照片(左)及其在脉冲测试中的应用(右)。

与常规的SPG(single-level porous graphite )相比,MPGs具有诸多优异的特性,如较大的表面积、高导电性、免粘结剂、质轻(0.15-0.18mg/cm^2或7.5-9mg/cm^3)、赝电容材料的高负载效率以及适应机械应变的受控波纹。当载有赝电容式锰氧化物(Mn3O4)时,在纯的Mn3O4和MPG/Mn3O4 (MPGM)复合材料中表现出的电容达到538 F/g (1 mV/s)和260 F/g (1 mV/s)。 MPGM具有机械稳定性,1000次机械弯曲循环后电阻变化仅为1.5%。当作为全固态对称超级电容器时,它们提供了全电池一样高的电容53 F/g,并在1000次连续机械弯曲循环后电容保持率达80%

此外,全固态超级电容器与应变传感器并入自给能装置中,可用于检测人体皮肤上诸如手指弯曲和心跳等粗略和微小的运动。

参考文献:

Weigu Li, Xiaobin Xu, Chang Liu, Marshall C. Tekell, Jing Ning, Jianhe Guo, Jincheng Zhang, and Donglei Fan, Ultralight and Binder-Free All-Solid-State Flexible Supercapacitors for Powering Wearable Strain Sensors, Adv. Funct. Mater. 2017, 1702738, DOI: 10.1002/adfm.201702738. 

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