Advanced Functional Materials:织物电极表面排布赝电容的官能团和MXene纳米片构筑高性能可折叠固态超级电容器

随着科技的不断发展和人民生活水平的不断提高,人们对小而薄、轻便的可穿戴及便携式电子产品的需求日益增长,进而推动了柔性能源存储器件的快速发展。而电极作为柔性超级电容器的核心部件,不仅要提供高的比电容,同时还要具备好的柔韧性和力学性能。迄今为止,大量的能源存储器件是直接在石墨烯纸,碳纳米管膜,金属片和织物材料上构建起来的。其中,基于织物的能源储存器件(TEESDs)有很多吸引人的特征,比如柔韧性好,机械强度高,质量轻,可工业化生产。利用织物基质纤维网络骨架不仅可以缓解负载的纳米活性材料的团聚问题,还可以实现整个电极不含聚合物绑定剂和金属集流体,从而提高整个器件的比容量。鉴于织物材料的这些内在的优势,设计基于织物的能源存储器件被认为在医疗跟踪系统,皮肤电子,家用电子产品等应用方面是十分有前途的。柔性固态超级电容器由于其具备高的功率密度和安全性成为最为重要的基于织物的能源存储装置之一。然而,目前固态超级电容器在电化学性能,机械稳定性以及加工技术方面难以达到好的平衡。

哈尔滨工业大学袁国辉教授和西安理工大学李喜飞教授针对这一问题设计了一种高性能,可裁剪,可穿戴并且可折叠的固态超级电容器,能够很好的平衡储能装置的电化学性能,机械稳定性以及加工技术。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202008185)上。

柔性正极材料为氧/氮功能化的碳纤维织物(ONCFT),它是通过一步化学氧化含氮的碳纤维织物(NCFT)制备,而柔性负极材料为MXene修饰的含氮的碳纤维织物(MNCFT),它是通过荷正电化的NCFT于MXene水墨中浸渍得到。在三电极体系中,这两种电极材料均表现出类似碳材料和传统赝电容材料一样好的倍率性能和电容性能。同样重要的是,这两种柔性电极的活性部分均表现出紧的皮肤层结构,这种结构基本避免了活性材料在机械形变中脱落的风险。利用这两种材料构筑固态非对称超级电容器,电压窗口可以达到1.6V,能量密度能达到277.3 μWh cm-2 (16.3 Wh kg-1)。同时这种器件在严重机械形下展现出好的容量保持,并能实现可折叠以及可裁剪的功能。在50 mA cm-2电流密度下,该装置可以实现30000次充放电循环,容量保持率达到90%。由于整个器件的成分制备工艺非常简单并且可大规模生产,这种能源储存装置展现出潜在的实际应用价值。