Small:高能量密度和可多次循环的柔性纤维状锌离子混合电容器

锌离子混合电容器(Zn-ion hybrid capacitor)是一种以锌离子为电荷载体,电池型材料(金属锌)为负极,电容型材料(如碳材料)为正极组装成的储能器件。它将传统超级电容器中离子快速吸脱附的储能机制和电池的法拉第过程相结合,可在不牺牲循环稳定性的前提下,同时实现高功率密度和高能量密度。锌离子混合电容器有效融合了金属离子电池(如锌离子电池、锂离子电池、钠离子电池)和超级电容器的优势,有望在各种可再生能源的存储中得到应用。除此之外,可穿戴器件的储能也是目前的研究热点。但是此类电容器在可穿戴储能领域的应用存在两方面的障碍:锌电极在高电流密度工作下易产生枝晶使性能大幅下降,还有常用固态电解质不能满足器件多次稳定循环的要求。如何制作高效稳定的电极以及合成高离子导电率的固态电解质是亟待解决的问题。

近日,悉尼大学化学与生物分子工程学院陈元教授课题的张馨时(第一作者)和裴增夏博士(共同通讯作者)用三个独特的设计来实现了高性能的柔性纤维状锌离子混合电容器。第一,用水热还原的方法组装石墨烯/碳纳米管成为多孔和高导电率的复合碳纤维作为电容型负极,其比表面积能够达到265 m2 g-1,且具有合适的孔结构用于锌离子存储;第二,锌/ 碳纤维作为电池类型正极,通过恒电压电镀的方法在碳纤维外表面沉积一层均匀的锌金属外壳从而提供一个均匀分布的电场,以实现高度可逆的锌剥离/电镀,进而抑制锌枝晶的形成;第三,用填充中性硫酸锌溶液的聚丙烯酸水凝胶作为准固态电解质,其在室温下具有21.7 mS cm-1的高离子电导率并具有良好的机械性能。基于这三个设计组装而成的纤维状锌离子混合电容器在400 mA cm-3的电流密度下可提供高达 104.5 F cm-3 的体积密度电容;其能量密度最高可达到48.5mWh cm-3,在目前为止报道的锌离子混合电容器中具有最好的储能性能,亦是已报道的各类纤维状电容器中最佳的体积能量密度之一。此外,该混合电容器中稳定的电极以及高离子导电率的凝胶电解质可以一起协同工作实现10000次的充电/放电循环,还有98%的电容保持率,展现了优越的循环稳定性。作为演示,多个纤维状的电容可以通过串并联集成为不同的柔性储能器件,实现稳定的能量存储与输出。该工作为提高微型超级电容器的能量密度提供了新的解决思路,也为可穿戴电子设备提供一个有前景的能量存储解决方案。相关论文近期以“Flexible Zinc-Ion Hybrid Fiber Capacitors with Ultrahigh Energy Density and Long Cycling Life for Wearable Electronics ”为题发表在Small(DOI:10.1002/smll.201903817)上。