高性能柔性固态“碱性电池-超级电容器”混合储能器件

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柔性电化学储能器件由于其可弯曲、轻质、安全等特点,在未来柔性显示器、光伏器件、人工电子皮肤和各种智能可穿戴设备上有重要的应用前景。但当前研究多以构筑“赝电容(+)//双电层(-)”和“赝电容(+)//赝电容(-)”结构的柔性固态超级电容器为主,对应器件的能量密度很难再度提高。而电池-超级电容器混合器件由于能有效地将电池的高能量密度和超电容的高功率密度集为一体,近年来倍受关注。因此,探索和发展柔性固态的混合型电化学储能体系可为提高柔性储能器件的性能提供新的思路。

铁的氧化物制备简易、成本低廉、导电性好、环境友好,作为碱性电池的负极材料具有高的理论容量(~346.5 mAh g-1)。但此理论值只能通过铁价态的完全氧化还原反应(Fe3+⇌Fe0)才能获得,而连续相变会引起结构的破坏从而导致其在水相电解质中循环稳定性极差(一般最多仅能维持几百次)。这种因体相反应致使稳定性差的问题在直接生长的纳米结构电极材料上表现尤为突出,严重制约了氧化铁负极在柔性混合储能器件中的应用。

针对这一关键科学问题,武汉理工大学刘金平教授的研究组以Fe3O4纳米棒阵列为例,提出了一种普适“碳包覆”手段,将循环能力大幅度提升至5000 次,并获得了高达247.5 mAh g-1的实际比容量(理论值的71.4%);此外,还详细揭示了Fe3O4电极材料在水相碱性溶液(3 M KOH)中的储能反应机理,为设计其它氧化物碱性电池材料提供了科学参考。在此基础上,他们还进一步提出了柔性固态“碱性电池-超级电容器”储能体系。以柔性集流体上生长的C-Fe3O4纳米阵列为碱性电池负极、碳纳米管阵列为电容性正极组装的全阵列化混合储能器件,获得的体积能量和功率密度(1.56 mWh cm-3; 0.48 W cm-3/~4.8 s充电)较已报道的氧化铁基全固态非对称超级电容器提升了3-4 倍。同时该器件具有良好的循环稳定性,在弯曲、受压以及温度变化情况下亦能展现优异的电化学性能。该工作打破了当前柔性固态储能器件设计的思维定式,突破了“靠正负极材料设计难以再度提升能量/功率密度”的瓶颈。

相关工作于近期发表在Advanced Functional Materials 期刊上。