基于二维黑磷晶体的高性能柔性固态超级电容器

AMliuzhongyuan黑磷作为一种p型直接带隙层状单元素半导体,上世纪60年代已发现,但对二维黑磷的广泛兴趣始于2014年其在场效应管中的成功应用,近两年相关研究激增。研究发现,二维黑磷维持直接带隙,随层数减少,可在~0.3-2.2 eV范围调控,显现出在(光)电子器件领域的巨大应用前景。此外,相较于石墨层间距(3.6 Å),黑磷层间距达5.3 Å,研究显示,黑磷作为锂、钠电池电极材料,大的层间距有利于离子插入与脱出,展现出优异的储能潜力。但机械剥离二维黑磷的环境稳定性差,与水汽接触可快速氧化生成磷酸,成为实现商业化应用的主要障碍。最近,人们通过液相剥离法实现了二维层状黑磷的大量制备,研究显示,大量溶剂分子或官能团附着在层状黑磷表面,可起到防氧化保护作用。结合二维黑磷的柔性特性,进一步探索这一新型二维材料在超级电容器中的应用将推动高性能柔性储能器件的发展。

采用液相剥离的二维黑磷晶体,燕山大学的温福昇、柳忠元教授等研究人员通过滴涂法在Pt/PET柔性基底上实现了取向一致的黑磷薄膜制备,组装了以聚乙烯醇/磷酸为电解质的三明治结构固态超级电容器。实验显示,这种基于二维层状黑磷的固态超级电容器展现出优异的性能:0.01 V/s低扫速下,电容为13.75 F/cm3,10 V/s高扫速下,仍保持1.43 F/cm3高电容;力学与充放电循环性能优异,在器件平整与弯曲交替状态下,循环10,000次后,电容维持初始的84.5 %,30,000次后仍维持71.8 %;最大能量密度和功率密度分别达2.47 mWh/cm3和8.83 W/cm3。基于二维黑磷的柔性固态超级电容器的优异的储能性能与长寿命、以及抗机械弯折能力展现了二维黑磷在储能领域极大的应用潜力,这将促进二维层状黑磷作为电极材料在未来可穿戴器件领域的实际应用。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505730)上。