新型三维多孔柔性自支撑电极的构建及其在全固态超级电容器中的应用

18随着纳米科技的迅速发展,柔性可穿戴电子产品在我们日常生活中正在扮演着越来越重要的角色。固态电化学电容器具有功率密度大、充放电快、质量轻、环境友好和循环寿命长等优点,因此基于固态电容的柔性能源储存装置的制备成为研发新兴电子产品的关键。其中,具有高容量、高机械性能的柔性电极材料的设计与研发至关重要。作为两类最具代表性的电极材料,分别具有赝电容和双电层电容的储能特性的过渡金属氧化物(V2O5)和碳纤维材料得到了储能研究者的广泛青睐。通过在纳米尺度上的可调控设计,将两种材料有效复合,有望发挥两类材料的协同效应,制备高性能柔性电子器件。

  新加坡南洋理工大学楼雄文教授课题组以此为出发点,设计并制备了三维电纺碳纤维自支撑膜,并在此基础上复合了多孔V2O5纳米片阵列,构筑了三维柔性一体化电极,同时研究了此新型电极在全固态超级电容器的应用。该课题组采用静电纺丝技术制备的碳纤维膜(ECF),具有质量轻,导电性好,比表面积高,富有良好的弹性和柔韧性等优点。进而通过简单的溶剂热法,在碳纤维膜上直接生长V2O5纳米片阵列,实现了二者的有效复合。得益于V2O5高比容量特性,V2O5/ECF复合电极较单纯的ECF膜,表现出超高的比电容特性,在1 A g-1时比电容达到了408 F g-1,展现了其作为高特性自支撑电极的巨大潜力。为了探索其在柔性电子器件中的实际应用价值,以ECF为正极,V2O5/ECF为负极,LiCl-PVA为固态电解质,成功组装了固态柔性非对称电化学电容器,其能量密度和功率密度最高分别可达22.3 Wh kg-1和1500 W kg-1,并且随弯曲程度的不同,其电容几乎没有变化。同时,通过采用胶体电解质,有效的稳定了活性电极材料,从而保证了优异的循环稳定性。由于采用V2O5/ECF新型自支撑复合柔性电极,器件在比电容、功率特性以及柔韧性和轻便性等方面得到了大幅度提高。相关研究结果发表在最近的Advanced Energy Materials上。

  该项工作所设计的三维柔性自支撑电极,不仅有效的改善了电化学电容器器件的柔韧性和轻便性,更重要的是确保了更高的比电容和功率特性,为构建高性能电化学储能器件提供了一个全新的视角,并有望得到广泛应用。