新工艺复合电极-基于碳纳米材料的高体积性能超级电容器

超级电容器具有功率密度大、充电时间短、使用寿命长、环境友好等特点,已经在众多研究领域中引起研究者们的广泛兴趣。但是与电池相比,超级电容器的能量密度较低,从而限制了它们的实际应用。从结构设计方面出发,柔性超级电容器可以从三个方向来实现:一是利用具有固有弹性的材料做基底,赋予另外一种无弹性或者弹性较差的功能材料良好的变形能力;二是通过适当的将常规材料按照一定几何布置来实现;三是利用器件在不同维度形状下的变形能力,比如一维纤维状结构的弯曲能力或者二维薄膜的折叠能力,也就是说如果电极本身是纤维的形式,那么它们从本质上来讲就是轻质和柔性的。此外,纤维状超级电容器可以容易地整合和编织成各式各样的电子器件,使它们自然地与纺织工业结合,并极大的促进了它们地实际应用。

目前,文献报道的制备纤维状超级电容器基本策略有三种,分别是:湿纺、干纺和水热法。值得注意的是,以上方法并不具有普适性,而且都无法实现微纳米级别的结构控制,考虑到大量的先进纳米材料(NMs)具有通用的电化学性能,开发一个通用的方法,不依赖于一些特定的纳米材料,对纤维状超级电容器性能、结构优化和相关机制的深入了解是至关重要的。

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近日,来自哈尔滨工业大学钟晶博士研究团队通过“死端过滤”方法制备出微观结构极其规则的电极材料,并对其性能进行了阐述。他们主要利用在水处理领域广泛应用的中空管状膜的超滤过程,制备出具有精确控制的电极结构,在该电极中,CNT均匀的插入到石墨烯片层之间,组装出石墨烯/碳纳米管复合电极,将该复合电极组装成固态对称超级电容器,在高扫描速率下具有非常高的体积电容,在5mV/s的扫描速率下,GCFH_4的体积比电容高达492 F cm-3,装置体积能量密度为〜2.7 mW h cm-3,这是市售超级电容器能量密度的三倍。而且在电极结构内的这些纳米材料之间表现出强的协同效应,10,000个弯曲循环后仍然保持稳定的电压平台。此外,使用固体聚合物电解质进一步改善了纤维状超级电容器的结构完整性和坚固性。他们的工作为电极微观结构的设计和控制提供了一种新的思路,大大推动了小型便携式移动电子设备的发展。

研究者相信,此项研究将会为基于纳米材料的组装研究打开了一扇窗户,并为电极微观结构的设计和控制提供了一种新的思路,大大推动了小型便携式移动电子设备的发展。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201606461)上。