1. 首页
  2. 柔性材料

透明柔性微型超级电容器

【前言】

       电子产品正朝着柔性化、透明化、轻薄化的趋势发展。研究高性能柔性透明电极材料与透明超级电容器对柔性电子产品的透明化具有重要的意义。最近,东华大学的王宏志课题组侯成义博士等人基于二硫化钼纳米材料开发了全透明柔性微芯片超级电容器。二硫化钼是一种过渡金属硫化物纳米材料,具有多样的晶格排布方式(1T, 2H, 3R)、形貌(0D(粉末状)1D(管状)2D(层状)和3D(块状))及优异的电化学性能。1T型二硫化钼具有独特的金属特性,同时其A-B-A型三明治层状结构带来更大的比表面积和结构稳定性,可以有效地减少充放电过程储能衰退。作者利用二维二硫化钼包覆一维银纳米线、并构筑了三维网络结构,有效地防止了二硫化钼纳米片再堆叠以及银纳米在充放电中的氧化,提高了复合电极材料的电子传输速率、倍率性能和循环稳定性。该工作发表在Energy Storage Materials期刊

【全文解析】

透明柔性微型超级电容器

图一:液相法高效获得大面积超薄1T相二硫化钼纳米片。a)-b) 1T二硫化钼纳米片的场发射透射电镜图。c) 1T二硫化钼纳米片原子力显微镜图。d)2H和1T二硫化钼纳米片X射线衍射谱图。e)1T二硫化钼纳米片X射线光电子光谱图。

         采用优化的有机锂离子液相法将块状2H相二硫化钼剥离为1T相纳米片。在保护气氛下低温加热并快速搅拌,加速了有机锂离子的插层效率;低功率长时间的剥离有效保护了片层的完整性。获得平均尺寸> 2 µm,厚度< 2 nm的1T相(含量超过84%)二硫化钼纳米片活性材料。                    

透明柔性微型超级电容器

图二:二硫化钼包覆银纳米线复合电极材a) AgNWs-MoS2复合材料水分散液数码照片。b) 不同AgNWs/MoS2比例复合电极材料的扫描电镜图及示意图。c)-f) AgNWs-MoS2复合材料的明场STEM照片及元素分布图。

透明柔性微型超级电容器

图三:透明电极的制备及光/电学性能a) 透明电极薄膜的制备示意图。b) 透明薄膜电极的数码照片。c) 不同AgNWs/MoS2比例复合电极的透过率曲线与导电性能图。d) 纯AgNWs透明薄膜电极与二硫化钼包覆复合电极弯折稳定性对比

        SEM,TEM等表征手段研究比较了AgNWs集流体材料与MoS2活性材料的比例对复合电极材料微观形貌、光学及电学性能的影响。一方面,为了得到导电性好、透过率高的薄膜电极,需要充足的AgNWs(0.25mg/mL);另一方面,为了保证储能器件的比电容、集流体AgNWs被有效包覆,需要合适的MoS2量(0.5mg/mL)。在AgNWs与MoS2体积比时为1:2时,复合电极材料具有最优的综合性能。

        使用喷涂法在透明PET基底上制备了具有较好光学性能(透过率:77.5%)与电学性能(面电阻:29.7 ohm/sq的复合电极。对比了AgNWs电极与二硫化钼包覆复合电极的弯折稳定性, AgNWs-MoS2复合电极在弯曲了5000次后面电阻值几乎保持不变。这为其柔性化应用奠定了基础。

透明柔性微型超级电容器

图四:透明电极的电化学储能性能a) AgNWs-MoS2透明薄膜电极储能机理示意图。b) 不同电解液中AgNWs-MoS2透明薄膜电极的循环伏安曲线。c) 不同扫速下测试的AgNWs-MoS2透明薄膜电极循环伏安曲线。d) 不同电流密度的AgNWs-MoS2透明薄膜电极的充放电曲线。e) AgNWs-MoS2透明薄膜电极的速率稳定性和循环稳定性。

       喷涂法制备厚度、尺寸可控的透明薄膜电极,并测试其在不同类型电解质(H2SO4,KOH,BMIBMF4等)中的电化学储能性能。其中,在1M 水系电解液H2SO4中,获得22.9 mF/cm2的面积比电容 (扫速为100 mV/s),扫速提高至5000 mV/s时,面积比电容仅下降29.7%。在500 mV/s的快速充放电循环中,表现出良好的稳定性,循环20000次,电容仅下降了3.7%。

透明柔性微型超级电容器

图五:全固态微型平面透明超级电容器。a) 全固态透明柔性微型平面超级电容器的制备流程示意图及数码照片。b) 全固态透明柔性微型平面超级电容器的离子传输机理示意图。c)-d) 不同扫速的全固态透明柔性微型平面超级电容器循环伏安曲线。d)-f) 超高扫速下全固态透明柔性微型平面超级电容器的柔性稳定性测试。g) 固态透明柔性微型平面超级电容器的速率稳定性和循环稳定性测试。

        使用激光雕刻技术刻蚀薄膜电极并组装得到透明柔性微型超级电容器。此类全固态透明柔性超级电容器具有77.5%的光透过率,在0.2和3 V/s的扫速下其电容为27.6和16.9 mF/cm2,循环10000次后仍保留96.4%。同时,在8V/s的高速充放电下,180°弯曲100次,其电容仅损失1.4%。

【小结】

这项研究利用液相剥离法获得1T相含量高的二维二硫化钼纳米材料,其片层尺寸大、厚度小、亲水,可用于包覆银纳米线制备透明复合电极材料。利用此类透明复合电极组装获得了具有高透过率、全固态、快速充放电、稳定性好的指插式微型超级电容器。

该工作受到国家自然科学基金、上海市扬帆计划、上海市晨光计划等项目资助。

第一作者李佳慧,东华大学材料科学与工程学院博士研究生。研究方向为新型二维材料的制备及其在柔性储能和转换装置中的应用及研究。

通讯作者侯成义,东华大学材料科学与工程学院讲师,入选欧盟“玛丽居里学者”、中国科协“青年人才托举工程”、上海市“扬帆计划“、上海市”晨光计划“。研究方向为环境响应型低维材料与柔性电子器件。

Cladding nanostructured AgNWs-MoSelectrode material for high-rate and long-life transparent in-planemicro-supercapacitor Energy Storage Materials, 2018, DOI:10.1016/j.ensm.2018.05.013

本文由能源学人编辑energist发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/14891.html

参考文献:

联系我们

15521390112

邮件:nyxrtg@163.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

QR code