【能源】高体积能量密度的柔性全固态纤维状超级电容器学术资讯

来源：X-MOL（x-mol.com）

微型超级电容器具有体积比功率密度高、充放电速率快、寿命长的特点，凭借其在体积和形状上的机械柔性，有望成为便携可穿戴电子设备中的储能器件。纤维状超级电容器是此类器件的代表之一——这种纤维状超级电容器由于结合了纤维状材料体积小、柔性好、可编织的优势，在加工性和使用性方面表现优异；但较低的能量密度成为制约其应用的主要因素。

如何在较少牺牲功率密度和循环寿命的前提下实现尽可能高的能量密度已成为目前超级电容器领域亟待解决的一个难题。目前，科研工作者通过以下两条路径探索这一难题的答案：

1.改进电解质，增加电压窗口。超级电容器的能量和功率密度都很大程度上取决于工作电压。传统水基电解质的电位域限于1 V左右，因此非对称超级电容器工作电压往往低于大多数商用双电层电容器（2.5 V）。而离子液体由有机阳离子和阴离子组成，具备高离子传导性、高热稳定性和不燃性的特点，电位窗口较宽，作为极具潜力的电解质，可以显著提高超级电容器的性能。

2.改进电极材料，提高比电容。大多数柔性超级电容器电极都基于赝电容材料（例如MnO2），但这些赝电容材料往往导电性差、体积利用率较低而导致超级电容器比电容难以提高。这个问题可以通过在高导电纳米结构（例如纳米线）上沉积超薄MnO2纳米片克服。

图1. 纤维状全固态超级电容器器件的组装示意图

图2. MnOx@TiN@CNT纤维电极的SEM和TEM表征图

近日，清华大学/中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张跃钢教授课题组和新加坡国立大学的John Wang教授课题组（共同通讯作者）合作，将上述两种思路相结合，设计了以MnOx@TiN@CNT为正极、C@TiN@CNT为负极、EMIMTFSI/PVDF-HFP为有机凝胶电解液的纤维状全固态非对称超级电容器。组装后器件的工作窗口达到3.5 V，具有超长的寿命(经20000次循环后的容量保持率为91.6%)，并能同时实现较高的功率密度(10.1 W•cm-3)和体积能量密度(61.2 mWh•cm-3)。该体积能量密度超过此前所有已报道的纤维状超级电容器数据，接近商业化铅酸电池的能量密度 (50-90 mWh•cm-3)。该器件在不同弯折角度下电化学性能几乎没有变化，即使经过1000次的弯折，比容量保持率仍为92.3%，优秀的机械性能再次证明其应用在便携与可穿戴电子设备中的广阔前景。

这一成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的潘争辉博士和杨洁博士为该论文的共同第一作者。

该论文作者为：Zhenghui Pan, Jie Yang, Qichong Zhang, Meinan Liu, Yating Hu, Zongkui Kou, Na Liu, Xin Yang, Xiaoyu Ding, Hao Chen, Jia Li, Kai Zhang, Yongcai Qiu, Qingwen Li, John Wang, Yuegang Zhang

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