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      2. 蘇州納米所邸江濤研究員等在高性能柔性儲能器件領域取得新進展

          近日,中科院蘇州納米所邸江濤研究員等與佐治亞理工學院Ching-ping Wong教授合作,設計并制備了鋅摻雜氧化銅納米線(Zn-CuO)三維陣列結構,為電化學活性物質MnO2提供導電支架,獲得高負載的MnO2納米片材料。將生長在銅線表面的[email protected]2材料用于同軸非對稱纖維型超級電容器正極材料,獲得了高的比容量及寬的工作電壓窗口。相關成果以Atomic Modulation 3D Conductive Frameworks Boosts Performance of MnO2 for Coaxial Fiber-Shaped Supercapacitors”為題發表在期刊Nano-Micro Letters2021, 13, 4。論文第一作者為蘇州納米所助理研究員王曉娜博士,通訊作者為邸江濤研究員李清文研究員及Ching-ping Wong教授。 

          同軸非對稱纖維型器件具有體積小便攜工作窗口大等優勢被認為在未來柔性可穿戴及微型的電子器件領域具有廣闊的應用前景。然而目前,同軸非對稱纖維器件仍然存在能量密度低,電極材料及結構設計的局限性等問題限制其進一步應用。二氧化錳由于其高的理論容量、低成本、低毒性和環境友好等特性被認為是優異的電化學活性材料。然而二氧化錳材料低的導電性和易于團聚的問題導致了其有限的比容量和功率密度。 

          為了解決以上問題,中科院蘇州納米所李清文研究員團隊與佐治亞理工學院Ching-ping Wong教授團隊合作設計并制備了[email protected]2納米線陣列電極。并使用Zn0.11[email protected]2作為核電極(正極),生長在碳納米管薄膜上的VN納米線陣列作為負極包覆在核電極表面組裝同軸非對稱超級電容器。 

                 1. A-F)同軸非對稱超級電容器制備示意圖。(G) 同軸非對稱超級電容器截面示意圖。 

          Zn-CuO納米線通過一步法原位生長在銅線表面,為MnO2提供導電支架和沉積基底。Zn摻雜進入CuO晶格提高了CuO的導電性,改進了MnO2納米片在電化學反應過程中與導電基底之間有效的電子傳輸。同時,與其他導電支架比較,Zn-CuO納米線也為復合電極貢獻了部分容量。通過摻雜不同含量的Zn,最后獲得導電性和比容量最佳的Zn0.11CuO納米線材料。它能夠負載MnO2的質量高達12.4 mg/cm2,使得電極也獲得了高的面積比容量(4.26 F/cm2)。 

                2. A-B)CuO, [email protected]2, Zn0.11CuO and Zn0.11[email protected]2電極電化學充放電曲線及比容量與壓降圖。(CMnO2負載量與沉積時間的關系。(D-EZn0.11[email protected]2電極在不同MnO2負載量時面積和質量比容量的關系。(FZn0.11[email protected]2電極循環穩定性。 

          這個同軸非對稱器件的工作電壓能夠達到1.8 V,比容量為296.6 mF/cm2,能量密度為133.5 mWh/cm2 (功率密度為0.9 mW/cm2)。值得關注的是,與其他同軸非對稱超級電容器比較,本工作中制備的器件的能量密度和功率密度明顯優于其他同類器件。為了進一步驗證其在可穿戴柔性器件領域的應用,我們也考察了同軸非對稱超級電容器在不同彎曲條件下的電化學穩定性。結果顯示在不同的彎曲條件下,器件充放電曲線沒有明顯變化,說明其在外力形變狀態下,具有較好的電化學穩定性及循環穩定性。同時這種同軸非對稱超級電容器也能點亮一個2VLED小燈泡并能維持60s。本項工作的發表為纖維型儲能器件在柔性可穿戴領域的發展提供了進一步的可能性。  

                 3 (A) 同軸非對稱超級電容器在不同彎曲狀態下的光學圖片。 (B) 1-3彎曲狀態下,同軸非對稱超級電容器的充放電曲線。 (C) 90度彎曲狀態下,器件的充放電循環測試。(D)同軸非對稱超級電容器在便攜式可穿戴領域展示出潛在的應用前景。


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