非传统嵌铝赝电容—实现高性能柔性超级电容器的新途径

高效的能量储存已经成为当前的热门研究领域,特别是随着便携式、可穿戴柔性电子器件的快速发展,人们对于质轻、柔性且高性能储能器件的需求更加迫切。其中,得益于在安全性和循环稳定性方面的优势,柔性超级电容器吸引了越来越多人的关注,但是因为有限的能量密度,其应用领域受到极大的限制。为了进一步拓宽超级电容器电位窗口、提高电荷储存能力、突破能量密度极限,新型赝电容材料和电解质体系的开发与使用正成为研究者努力的两大方向。

在赝电容材料与电解液中离子的氧化还原过程中,高价阳离子能与更多的电子发生中和,进而带来更高的电荷储存能力。其中,三价铝离子基电化学电容由于成本低、安全性高、离子半径小以及基于三电子氧化还原的高比电容等优势,展现出极大的发展潜力。但是,由于铝离子与晶格框架之间较大的静电相互作用,影响了铝离子固相传输效率,导致铝离子超级电容领域仍没有突破性进展。

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东华大学王宏志教授团队经过研究发现,具有宽晶格间距和层状单晶结构的W18O49纳米线具有明显的嵌铝赝电容效果,将同是一维结构的碳纳米管与W18O49纳米线抽滤成膜,得到具有纳米线相互贯通网络结构的自支撑薄膜,该薄膜展现了极高的面积比电容(1.11~2.92 F/cm2)和良好电化学稳定性(10,000循环后保持87.8%电容),其面积比电容是目前已报道的金属离子插层电容中最高的。由此组装的非对称铝离子超级电容器在295mW/cm3功率密度下,表现出19.0 mWh/cm3的能量密度,该超级电容器的能量密度也优于目前已报道的氧化钨基超级电容器。

此外,他们还将该柔性超级电容器与柔性电致变色器件进行集成,通过调节超级电容器的充电模式,可以有选择地对电致变色器件进行供能,使得柔性电致变色器件在可穿戴领域展现出了良好的实用价值。相关文章发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201700380)上。