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孙庚志教授课题组在ACS Nano上发表微结构设计提高纤维电极性能的新研究
 添加时间:2017/05/27 发布: 管理员
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近年来,由于可穿戴电子产品的快速发展,具有功率密度高、寿命长、质轻、柔性的储能器件受到广泛的关注。纤维状超级电容器作为一种新型可编织/穿戴能源存储器件,因兼具上述优点而得到众多研究者的青睐。纤维电极作为纤维状超级电容器的核心组成部分,是当前研究的重点与难点。将碳基导电纤维与高赝电容值的活性材料复合是提高纤维电极电化学性能的常用方法,复合手段一般采用电化学沉积、水热反应、物理混合等。然而,由于碳基导电纤维材料的疏水性和结构致密性,如多壁碳纳米管(MWCNT)纤维和碳纤维等,电化学活性材料(如MnO2)在复合过程中优先负载于导电纤维表面,导致导电纤维与电化学活性材料二者的协同效应不理想,主要表现在MnO2材料的导电性未得到有效改善;MWCNT纤维大的比表面积未得到有效利用;电化学活性材料在纤维电极弯折过程容易脱落等,因而传统复合方法制备的纤维电极存在活性材料利用率低、比容量低、倍率性能差、机械柔韧性差等问题。

南京工业大学IAM团队孙庚志教授课题组通过对纤维电极的微结构设计成功解决了以上问题。本研究以高度取向的MWCNT薄膜作为自支撑骨架,采用化学沉积的方式将无定形MnO2纳米颗粒均匀分散在MWCNT表面,制备了无定形MnO2@MWCNT复合纤维电极。此结构具有如下优点:(1)高取向MWCNT相互连接的网状结构可以为复合纤维提供高速电子传输通道以及优异的机械可靠性;(2)由于MnO2纳米颗粒均匀镶嵌于复合纤维中,MnO2材料的导电性可以得到有效改善;(3)由于高取向MWCNT骨架的包裹作用,复合纤维的柔韧性非常好。

基于该复合纤维的全固态纤维状超级电容器表现出优异的倍率性能(充放电流密度从0.1 A·cm-3增加至5 A·cm-3,器件容量仍保留63.3%)及循环稳定性(1 A·cm-3的电流密度循环15,000次容量保持率>90%)。即使在对折条件下,该柔性器件的性能基本保持不变。因此,该全固态纤维状超级电容器在柔性/可穿戴电子设备领域具有极大的应用前景。此项研究不仅为提高纤维电极倍率性能及循环稳定性提供了新的研究思路,同时具有很好的通用性,对构建其它储能器件具有借鉴意义。

 

 

 

文章链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b06357

 


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