低阻硒化锰纳米材料及其全固态可穿戴电化学储能器件

人类生存于世界,希望绿水青山,蓝天碧云;人们生活于社会,追求快捷便利、随意而行。然而,随着人类社会的发展,化石能源日益消耗,环境污染日益加剧,这为人类带来了很大的生存危机。为此,在世界范围内掀起了新能源技术与革命,清洁的二次能源得到蓬勃发展,新型的储能产品不断得到研发。其中,二次电池和超级电容器由于其优异的性能而受到研究者们的高度关注。

二次电池具有高的能量密度,但功率密度低,充电速度慢,循环性能差;超级电容器具有功率密度高、可快速充电、长循环稳定性的优点,但能量密度低。二者性能互补,虽然储能机理不同,但却具有相似的器件结构和系统环境,这就为电池-超级电容器混合(BSH)器件的出现提供了基础。电池-超级电容器混合器件包含一个法拉第电极和一个电容电极,两个电极可由一个隔膜分开,通常在相同的电解质环境下工作,同时具有较高的功率密度和能量密度,且可快速充电,而且循环寿命长,因而是一种综合性能优异的电化学储能器件。因为BSH器件的特性更类似于超级电容器,因而BSH器件也被称为混合超级电容器(HSC)。目前,BSH器件的法拉第电极常用的为过渡金属氧化物和氢氧化物,但这些材料电导率低,电极阻抗大,与固态电解质难以有效匹配,在制备高性能的全固态电化学储能器件方面存在很大困难。

基于这一背景,浙江大学材料科学与工程学院吕建国课题组采用溶剂热法合成出具有蜂窝状结构的低阻抗硒化锰纳米材料,该溶剂热方法可实现一步法合成,简单易行,生产成本低。所制得的硒化锰为α-MnSe,是单一的稳定相,呈现多层级、相互联结的多孔蜂窝状结构,该结构不仅可以提供大比表面积的反应位点,而且非常有利于反应过程中电子传输和离子传输。MnSe电极材料性能优异,三电极测试表明:内阻仅为0.37 Ω,而且具有高比容(84.7 mAh/g at 10 mV/s)、高倍率性能和长循环寿命。为了探究其在储能领域的应用,研究人员以硒化锰作为电池型电极,活性炭作为电容型电极,装配成全固态BSH器件,电化学测试表明其具有优异的器件特性,在2 mA/cm2的电流密度下,能量密度可达39.6 μWh/cm2,功率密度则达到了0.98 mWh/cm2;10 mA/cm2下8000次循环容量保持率119.79%;BSH器件内阻更是只有1.34 Ω,远低于同类电化学储能器件。为了进一步验证其实用性,研究人员将三个相同的柔性器件串联,制成一个简易的腕带,在实际测试中仅需5秒的充电时间就可以点亮一个绿色的LED灯,且可稳定维持3分钟以上才逐渐变暗,该可穿戴储能电子产品表现出很高的实用价值。

研究者相信,此项研究将会为未来的高性能全固态柔性电化学储能器件提供一个新的技术方案,并为可穿戴和智能化电子产品打开了一扇窗。随着新型能源和储能电子器件的研发和应用,自然和社会环境将不断改善,人类将生存于绿水青山之间、蓝天碧云之下,不再有污染;人们的生活将更加快捷便利,可以随意而行,不再被禁锢。这些新型的纳米材料和能源电子器件,将为人类与自然的共同和谐发展谱写新的篇章。相关论文发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201800074)上。

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