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基于超长MnO2纳米线复合材料的可编辑超级电容器

作为可拉伸和可穿戴电子产品的主要能量供应品之一,伸缩式超级电容器由于其优越的功率密度和较长的使用寿命而越来越受到关注。迄今,尽管在可伸缩超级电容器方面取得了一些进展,但这些都需要预先设计好电极的结构,并不具有可编辑性。为了适应具有任意配置的可穿戴电子设备,开发可编辑的超级电容器是非常值得期待的,其可以直接转换成期望的形状。近日,南洋理工大学陈晓东教授团队基于机械强化的超长MnO2纳米线复合材料开发了一种新型超级电容器,可以直接编辑成所需的形状和结构。

基于超长MnO2纳米线复合材料的可编辑超级电容器

图1.可伸缩超级电容器通过a)预先设计的策略和b)可编辑策略的装配过程示意图。预先设计的策略(a)只能应用不变的结构,需要三个步骤来制备可伸展的超级电容器。III)中电极和衬底/凝胶电解质的预先设计的结构之间的不匹配可能导致在引起微裂纹。可编辑策略(b)只需要将超级电容器切割成期望的形状和结构,制备的超级电容器可以在任意方向上拉伸

基于超长MnO2纳米线复合材料的可编辑超级电容器

图2.机械增强MnO2纳米线材料对可编辑超级电容器的表征:a)超长MnO2纳米线的SEM图像。b)TEM图像,c)MnO2纳米线的HRTEM,以及d)相应的SAED图像。e)MnO2纳米线的高分辨率XPS谱图。f)CNT薄膜的俯视图,插图是CNT薄膜的放大俯视图。g)包含30%CNT的MnO2纳米线/ CNT复合膜的俯视图和h)放大顶视图。

所谓可编辑超级电容器的电极由纳米纤维素(NCF)夹持的超长MnO2纳米线(MNW)和碳纳米管(CNT)组成。这种电极表现出高机械稳定性,高能量密度和坚固的整体性。两个电极进一步用聚乙烯醇基(PVA)凝胶电解质涂覆以制成纸状可编辑的超级电容器,其可以直接转变成各种可定制的形状和结构。可定制的结构可以使超级电容器在任意方向上具有可编辑的拉伸性。例如,用蜂窝状结构编辑的超级电容器显示出227.2 mF/cm^2的比电容,可以拉伸到500%而不降低电化学性能,这远优于现有技术的大多数拉伸超级电容器。此外,在400%拉伸应变下,在10000次拉伸 – 释放循环后,仍保持了近98%的初始电容。

基于超长MnO2纳米线复合材料的可编辑超级电容器

图3不同机械形变下基于MnO2基复合电极的可编辑超级电容器的电化学和力学性能。a)超级电容器结构的示意图(侧视图)。b)基于MNW70-NCF薄膜电极在不同扫描速率下的恒流充放电和c)柔性超级电容器的CV曲线。d)在不同的机械变形下基于MNW70-NCF和MNF70-NCF电极的柔性对称超级电容器之间的电化学性能比较。e)不同应变测试下的蜂窝状超级电容器的数字图像。f)MNW70-NCF和/或MNF70-NCF电极在不同应变下标准化比电容。g)蜂窝状超级电容器在400%的再循环拉伸应变下的电容保持率。h)与以前报道的可拉伸超级电容器。以上测试的电流密度为1.6mA/cm^2

作为系统集成理念的代表,由蜂窝状超级电容器和应变传感器组成的集成器件即使在动态摆臂下也表现出稳定的传感性能。这项工作表明了可编辑超级电容器的应用前景,有望成为各种便携式、可拉伸和可穿戴电子设备的时尚储能设备。

Zhisheng Lv, Yifei Luo, Yuxin Tang, Jiaqi Wei, Zhiqiang Zhu, Xinran Zhou, Wenlong Li, YiZeng, Wei Zhang, Yanyan Zhang, Dianpeng Qi, Shaowu Pan, Xian Jun Loh, Xiaodong Chen; Editable Supercapacitors with Customizable Stretchability Based on Mechanically Strengthened Ultralong MnO2 Nanowire Composite; Advanced Materials(2017); DOI: 10.1002/adma.201704531

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