近期,中科院合肥研究院固體所功能材料物理與器件研究部趙邦傳研究員課題組在高能量密度柔性超級(jí)電容器研究方面取得進(jìn)展。科研人員采用原位生長(zhǎng),結(jié)合后氮化處理方法在柔性碳布(CC)上分別生長(zhǎng)出高性能的CoN-Ni3N/N-C異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米片和VN納米帶材料,并組裝成高能量密度柔性超級(jí)電容器。相關(guān)研究成果以“3D Porous Honeycomb-like CoN-Ni3N/N-C Nanosheets Integrated Electrode for High-energy-density Flexible Supercapacitor”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials 上。
近年來(lái),隨著生活水平的不斷提高,人們對(duì)新型柔性可穿戴式電子器件的需求越來(lái)越迫切,而柔性可穿戴式電子器件目前面臨的最大挑戰(zhàn)則是無(wú)法找到與之相匹配的輕、薄且柔性的便攜型儲(chǔ)能器件。因此,開(kāi)發(fā)新型高效的柔性可穿戴儲(chǔ)能器件顯得尤為重要。柔性超級(jí)電容器能夠快速地充電/放電,具有成本低、易組裝、長(zhǎng)壽命、廉價(jià)、體積小、效率高、柔韌性好等特點(diǎn),受到廣泛關(guān)注。但其發(fā)展目前仍面臨著大量的基礎(chǔ)科學(xué)和工藝上的問(wèn)題,特別是在電極材料上。一方面,為滿(mǎn)足電容器高能量密度和使用壽命的要求,電極材料需具有較高的比電容和較優(yōu)的循環(huán)穩(wěn)定性;另一方面,為適應(yīng)電容器柔性方面的需求,電極材料還需具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。
基于此,科研人員通過(guò)控制相轉(zhuǎn)變、形貌與缺陷調(diào)控相結(jié)合的策略,在柔性碳布上成功地制備了三維(3D)多孔蜂巢狀結(jié)構(gòu)的CoN-Ni
3N/N-C納米片材料。用作超級(jí)電容器電極時(shí),其獨(dú)特的多孔蜂巢狀結(jié)構(gòu)和豐富的微介孔,不僅增大了活性材料的比表面積,提供了自由開(kāi)放的空間和快速的離子擴(kuò)散通道,還暴露出更多的電化學(xué)活性區(qū)域,增強(qiáng)材料的電荷存儲(chǔ)性能。此外,CoN-Ni
3N/N-C材料能夠增強(qiáng)CoN-Ni
3N/N-C/CC電極的導(dǎo)電性,提供更多的邊緣活性位點(diǎn),進(jìn)而增強(qiáng)電解質(zhì)離子的快速擴(kuò)散和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。受益于材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和多組分間的協(xié)同效應(yīng), Co- Ni
3N /N-C/CC柔性一體化電極表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在電流密度為0.5 mA cm
-2時(shí),其面積比電容可達(dá)1.48 F cm
-2,10000次循環(huán)后容量保持率為93.3%,顯現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。另外,以Co- Ni
3N /N-C/CC為正極、VN/CC為負(fù)極組裝的柔性準(zhǔn)固態(tài)非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器(FQAS)性能同樣出色,該器件能量密度最大為106

,最大功率密度達(dá)到40 mW cm
-2。
這項(xiàng)工作為構(gòu)建高性能柔性可穿戴儲(chǔ)能器件提供了重要的借鑒和參考意義。
上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金委大科學(xué)裝置聯(lián)合基金項(xiàng)目的支持。
圖1. CoN-Ni3N/N-C/CC和VN/CC柔性一體化電極制備流程及準(zhǔn)固態(tài)非對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器的組裝示意圖。
圖2. (a-c) Co-Ni LDH/CC前驅(qū)體、(d-f) CoN- Ni3N /N-C/CC電極材料和(g-i)VN/CC電極材料的SEM圖。
圖3. (a) Co- Ni3N /N-C/CC//VN/CC FQAS的組裝示意圖;不同電壓窗口下FQAS的(b) GCD和(c ) CV曲線;不同掃描速率和電流密度下FQAS的( d ) CV和( e ) GCD曲線,(f) FQAS的倍率性能;(g) FQAS在50 mA cm-2下充放電6000次的循環(huán)穩(wěn)定性,(h) FQAS 6000次循環(huán)前后的EIS曲線;(i) FQAS裝置的Ragone圖。