具有超高倍率性能的全固态线状超级电容器

AMTleiyong目前,便携式和可穿戴电子设备的发展在一定程度上受制于能与之相匹配的能源器件的相对滞后。相对于传统的聚合物锂离子电池,柔性超级电容器因其具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长以及适用温度范围宽等优点,被认为是非常适合作为便携式和可穿戴电子设备能源器件。线状超级电容器由于体积更小、质量更轻、柔性更好,从而能够比平面柔性超级电容器更加容易地集成到便携式和可穿戴电子设备中。然而线状超级电容器的倍率性能与平面柔性超级电容器相比较还有很大的差距,这直接关系到线状超级电容器在快速充电时的能量密度的高低。

针对这一问题,德国伊尔梅瑙理工大学(Ilmenau University of Technology)的雷勇教授课题组设计了一种新型线状超级电容器电极,并在此基础上实现了具有超高倍率性能的全固态线状超级电容器器件。利用阳极氧化在钛金属线的表面形成氧化钛纳米管阵列,并通过阴极极化技术进一步提高氧化钛纳米管的导电性,从而得到线状超级电容器电极。在这种新型超级电容器电极结构中,未被氧化的钛金属线作为集流体用于电荷的收集和传输,而高导电性的氧化钛纳米管阵列则作为活性材料用于电荷的存储。从横截面的扫描电子显微镜照片中可以看到,氧化钛纳米管均匀得垂直生长在钛金属线的表面,实验结果表明这种结构能够显著提高充放电过程中的电荷输运特性并降低接触电阻,从而实现优异的倍率性能和功率密度的高性能超级电容储能。利用这种线状电极组装而成的对称结构的全固态超级电容器器件能够在循环伏安扫速1V/s到200V/s的范围内正常工作,即使在弯曲的情况下,也能保持超高的倍率性能,并且具有高的电容保持率和循环稳定性。另一方面,通过控制阳极氧化的时间,可以调控氧化钛纳米管的长度,从而进一步提高超级电容器器件的比容量。

该工作通过电极结构的优化设计,利用简单的方法制备了高性能的线装超级电容器电极,进而实现了具有超高倍率性能的超级电容器器件,在柔性能量存储器件中具有良好的应用前景。

相关工作发表在近期的Advanced Materials Technologies(DOI:10.1002/admt.201600012)上。