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【高IF文章点】基于叉指电极的微型超级电容器体系(Micro-supercapacitor/MSC)

有这样一批“专一的”研究者:他们整天泡在实验室,合成过N多个活性材料,感觉还不错的Idea就是发不了什么好文章。三年下来,被文章磨的没了一点脾气。既然如此,何不换一换应用角度,将这些材料用在一些比较新颖的体系?今天就谈一下微型超级电容器(MSC)

 

【高IF文章点】基于叉指电极的微型超级电容器体系(Micro-supercapacitor/MSC)

图1. 在TiC导电基体上刻蚀超级电容器碳电极的过程示意图

2010年,德雷塞尔大学John Chmiola, Yury Gogotsi等人在《Science》上发文,他们在Mxene材料TiC导电基体上刻蚀出了可“scalable”的超级电容器碳电极(关于scalable的意思,可关注文章——科研走向产业化,我们常忽略的关键点)Mxene材料是目前研究的热点之一[1]。自2005年微型化储能体系在Nature Materials上报道以来,碳纳米管、活性碳材料、聚合物以及金属氧化物等陆续被应用在微型储能体系中,但体积比容量都远不及Yury Gogotsi等人制备的这种碳电极[2]。与此同时,这项研究还提供了高性能微型超级电容器集成到各种设备上的框架方法。如图1D所示,这种微型电容器和叉指电极外形非常类似

 后来,研究者们利用叉指电极的形状制备了多种微型超级电容器,相关结果陆续发表在Nature CommunicationsAdvanced Functional Materials以及Nano Energy等国际顶级期刊。2012年,佛罗里达国际大学Chunlei Wang课题组利用电子束蒸发系统,在Si/(500 nm)SiO2上形成了一个Ti(20 nm)/Au(300 nm)层。采用常规光刻和钛/金层湿法刻蚀制备了叉指型电流收集器(图2)。然后再通过旋涂等一系列过程制备了叉指微型超级电容器,该工作发表在《Advanced Functional Materials》上[3]。2013年,德国马普所Zhongshuai Wu等人制备了一种与锂薄膜电池能量密度相媲美的石墨烯基柔性叉指型MSC——MPG-MSCs(图3-4)[4]

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图2. Chunlei Wang制备叉指微型超级电容器过程示意图(a)以及该电容器的微观结构示意图(b,c)

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图3. 石墨烯基柔性叉指型MSC的制备过程示意图以及样品图片

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图4. MPG-MSCs与其他类型MSC以及普通supercapacitor有关能量密度和功率密度的对比图。

 今年1月份,《Nano Energy》接收了Husam N. Alshareef课题组和王忠林院士联名的稿件“MXene Electrochemical Microsupercapacitor Integrated with Triboelectric Nanogenerator as a Wearable Self-charging Power Unit”。该工作的研究人在AUTOCAD软件辅助下首先制备出叉指状电极模板,喷涂覆盖活性物质后注液封装,最终制备出一种柔性凝胶电解质微超级电容器装置。并将此装置与柔性纳米器件结合组成了可穿戴自充电系统(图5-6)[5]。更直接的,美国加州大学伯克利分校的Juan Pu等人在镀金Si3N4基底叉指电极上制备了三维全固态叉指状MSC(图7)[6]。此外,还有大神直接将叉指电极用于纳米发电机(图8)[7]

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图5. 柔性凝胶电解质微超级电容器制备过程示意图

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图6. 柔性凝胶电解质微超级电容器与柔性纳米器件结合组成的可穿戴自充电系统

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图7. 在镀金Si3N4基底叉指电极上制备三维全固态叉指状MSC的过程示意图

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图8. MSC用于纳米发电机的原理图

 有关叉指电极用于MSC的文章可关注去年《Small》上发表的一篇”小型“综述性文章“Recent Progress in Micro-Supercapacitors with In-Plane Interdigital Electrode Architecture”,该文由华中科技大学Nishuang Liu博士和Yihua Gao教授共同撰写发表[8]。之所以小,还是因为研究的人较少,这方面的成果量不多(见图9),也是近期才慢慢有点热度的。想发高分文章,或者想为N多个合成的材料找个“好归宿”,可以关注MSC体系。毕竟一台工作站加上一些材料制备就可以搞定了,叉指电极可以直接买,有特殊需求的让生产厂家帮着处理。至于叉指电极具体原理和使用方法,请参看往日推文《手把手教你怎么使用叉指电极》

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图9 叉指电极、超级电容器相关文章Web of Science数据统计

 

 

参考文献:

[1] John Chmiola, Celine Largeot, Pierre-Louis Taberna, Patrice Simon, Yury Gogotsi, Science, 10.1126/science.1184126

[2] Antonino Salvatore Aricò, Peter Bruce, Bruno Scrosati, Jean-Marie Tarascon, Walter van Schalkwijk, Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices, Nature Materials, 4 (2005) 366-377.

[3] Majid Beidaghi and Chunlei Wang, Micro-Supercapacitors Based on interdigital electrodes of reduced graphene oxide and carbon nanotube composites with ultra high power handling performance, Adv. Funct. Mater. 2012, DOI: 10.1002/adfm.201201292

[4] Zhong Shuai Wu, Khaled Parvez, Xinliang Feng, Klaus Mullen, Graphene-based in-plane micro-supercapacitors with high power and energy densities, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms3487

[5] Qiu Jiang, Changsheng Wu, Zhengjun Wang, Aurelia Chi Wang, Jr-Hau He, Zhong Lin Wang, Husam N. Alshareef, MXene Electrochemical Microsupercapacitor Integrated with Triboelectric Nanogenerator as a Wearable Self-charging Power Unit, Nano Energy, doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.01.004

[6] Juan Pu, Xiaohong Wang, Tianyi Zhang, Siwei Li, Jinghe Liu, Kyriakos Komvopoulos,

High-energy-density, all-solid-state microsupercapacitors with threedimensional interdigital electrodes of carbon/polymer electrolyte composite, Nanotechnology 27 (2016) 045701

[7] Byung Kil Yun, Hyun Soo Kim, Young Joon Ko, Gonzalo Murillo, Jong Hoon Jung, Interdigital electrode based triboelectric nanogenerator for effective energy harvesting from water, Nano Energy, 36 (2017) 233-240

[8] Nishuang Liu, Yihua Gao, Recent progress in micro-supercapacitors with in-plane interdigital electrode architecture, Small 2017, 1701989

 

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