同济大学陈涛教授Adv. Sci.: 通过电极协同设计实现超高能量密度的柔性非对称超级电容器

本文亮点:采用MnO2/碳纳米管(CNT)作为正极,MoS2/CNT作为负极,开发出高柔性且提供19.8mWh/cm3的超高能量密度的不对称超级电容器

【前言】

便携式,柔性和可穿戴电子产品已经引起了学术界和工业界越来越多的关注,而柔性电子产品的性能和实用性在很大程度上取决于能源供应系统。超级电容器不仅具有更高的功率密度和更长的寿命,更环保,而且可以通过对电极和电解质的系统设计赋予新型超级电容器具有柔性、可穿戴、可拉伸、可压缩、自愈合等功能,具有广阔的应用前景。非对称超级电容器(ASC), 不仅能有效拓阔器件的工作电压窗口,正、负极中所引入的赝电容材料还能够增加器件的比容量,从而获得具有高的工作电压和能量密度的超级电容器。

作为一种性能优异的层状纳米材料,二硫化钼(MoS2)纳米片在中性电解质中表现出高赝电容性和宽的负电位,但只有少量研究涉及到它们在非对称超级电容器中的应用;且先前报道的正电极和负电极多为无序结构,不利于电荷和/或离子的有效传输,导致电容器的性能并不理想。

【成果介绍】

最近,同济大学陈涛教授与郑州大学曹少魁教授合作,使用CNT网络薄膜作为导电基底,在CNT薄膜的两侧原位生长3D MnO2或MoS2纳米片。通过该方法,获得的MnO2/CNTMoS2/CNT复合材料具有较高的电化学活性物质负载量(大于86wt%),远高于采用直接复合CNTs和MnO2(或MoS2)法所制备的复合材料,因此能够赋予所设计的电极和器件更高的容量。 MnO2/CNT和MoS2/CNT复合材料均可直接用作超级电容器的无粘合剂电极。通过三电极体系,在氯化锂(LiCl)水溶液作为电解质溶液,MnO2/CNT和MoS2/CNT复合材料分别表现出1109和1296mF/cm2的高比电容(对应于重量比电容分别为153.9和156.6F/g),远高于之前报道的结果。高比电容可归因于CNT网络的高电导率和从3D有序赝电容材料到CNT材料的快速电荷(或离子)传输。然后,采用聚乙烯醇(PVA)和LiCl水溶液作为凝胶电解质,分别以MnO2/CNT和MoS2/CNT复合材料作为正极和负极,组装准固态非对称超级电容器。通过协同优化正极和负极中赝电容材料的负载量以实现最佳电荷平衡,所发展的非对称超级电容器具有高比电容(44F/cm3)和超高的能量密度(19.8mWh/cm3)。此外,ASC器件不仅具有出色的循环稳定性和长的自放电时间,而且在任何弯曲状态下甚至超过5000次弯曲循环后,其性能几乎没有衰减,表现出优异的机械柔韧性,在下一代便携式和可穿戴电子设备领域具有较大的应用前景。论文近期发表在国际知名期刊 Advanced Science 上。

【图文解析】

同济大学陈涛教授Adv. Sci.: 通过电极协同设计实现超高能量密度的柔性非对称超级电容器 图 1. 从a)顶视图和b)截面图观察MnO2/CNT复合物的SEM照片。c)MnO2/CNT复合材料中MnO2纳米片的TEM照片。d)纯CNT膜,MnO2和MnO2/CNT复合膜的拉曼光谱。e)负载不用质量MnO2的MnO2/CNT电极的CV曲线,扫描速率为25mV/s。f)2.0mA/cm2电流密度下不同MnO2负载量的MnO2/CNT电极的充放电曲线。g)MnO2/CNT复合电极的面积比电容随MnO2含量的变化曲线。

同济大学陈涛教授Adv. Sci.: 通过电极协同设计实现超高能量密度的柔性非对称超级电容器图 2. 从a)顶视图和b)横截面视图的MoS2 /CNT复合物的SEM照片。c)MoS2/CNT复合材料中MoS2纳米片的TEM照片。d)纯CNT膜,MoS2和MoS2/CNT复合膜的拉曼光谱。e)不同MoS2含量的MoS2/CNT复合电极的CV曲线,扫速为25mV/s。f)不同MoS2含量的MoS2/CNT复合电极在2.0mA/cm2电流密度的充放电曲线。g)MoS2/CNT复合电极的面积比容率随MoS2含量的变化曲线。

同济大学陈涛教授Adv. Sci.: 通过电极协同设计实现超高能量密度的柔性非对称超级电容器图 3. a)柔性ASC的结构示意图。 b)三电极体系中MnO2/CNT和MoS2/CNT复合电极的CV曲线,扫描速率为25mV/s。c)ASC器件在不同电压窗口(0.8-1.8V)下的CV曲线,扫描速率为25mV/s。d)ASC器件在不同电压窗口下的GCD曲线。 e)ASC器件的面积比容量和体积比容量随电位窗口的变化。f)本工作中ASC器件与之前报告的其他ASC的能量密度和功率密度的比较。g)ASC器件在5.0mA/cm2下的循环性能(插图为部分充电-放电曲线)。h)ASC器件的自放电行为。

同济大学陈涛教授Adv. Sci.: 通过电极协同设计实现超高能量密度的柔性非对称超级电容器图 4. a)ASC器件在不同弯曲角度和扭曲状态下的CV曲线,扫速为25mV/s。 b)ASC器件在不同角度弯曲和扭曲状态下的GCD曲线。c)ASC器件在不同弯曲循环时的CV曲线,扫速为25mV/s。d)ASC器在不同弯曲循环时的GCD曲线。e-h)两个串联ASC器件在不同状态下为手表供电的照片。

综上所述,采用MnO2/CNT复合材料作为正极,MoS2/CNT复合材料作为负极,发展了具有超高能量密度(19.8mWh/cm3)的非对称超级电容器。复合材料的3D多孔结构极大地促进了电荷和/或离子从赝电容材料到CNT电极的传输,从而产生高的比电容;非对称结构有效地扩展了电容器工作电压,从而获得较传统对称结构的器件更高的能量密度。该ASC器件不仅表现出优异的电化学性能,而且还具有优异的机械柔韧性和周期性弯曲稳定性。此外,该ASC器件表现出较长的自放电时间,作为电源在实际应用中尤为重要。

Huanan Peng, Guiju Qian, Ning Li, Yao Yao, Tian Lv, Shaokui Cao, Tao Chen, Flexible Asymmetric Supercapacitors with Ultrahigh Energy Density through Synergistic Design of Electrodes, Adv. Sci., DOI:10.1002/advs.201800784

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参考文献:Adv. Sci