Small:纤维素基底界面设计实现超高电容和能量密度的高负载柔性超级电容器

1 研究背景

大容量超级电容器储能装置在能量的存储和转换中起着重要的作用。增加活性材料负载量有助于降低集流体、添加剂等非活性组分比例,减少无效体积和质量,从而提高器件整体能量密度、降低成本。因此,高负载电极是缩小实验室研究与实际应用差距及实现大容量超级电容器的有效途径。然而,随着活性材料负载量增加,尤其当负载量达到或高于实际应用水平(≥10 mg cm-2)时,由于急剧恶化的电化学动力学,往往会导致严重的容量损失及倍率性能的下降。

根据经典电化学理论,电化学动力学是由电子传输和离子扩散共同决定的。当负载量增加,接触电阻和界面电阻等也随之增加,使得电极内部电子传输变得困难。对于离子扩散,负载量增加使得活性材料密集堆积,降低电解质可及性和浸润性,增加电解质离子传输距离,从而大大增加离子扩散阻抗。因此如何解决高负载与电化学动力学之间的矛盾,在高负载下保持高电化学性能,对于大容量超级电容器,尤其是大容量柔性超级电容器仍然是一个挑战。

2 文章概述

近日,华南理工大学制浆造纸国家重点实验室王小慧教授以柔性纤维素织物为基底,通过在基底表面原位构筑“高导电、高孔隙和高电解质亲和性”氮掺杂界面,作为容纳一维纳米材料的三维框架。外延的三维多孔界面提供了足够的空间容纳一维纳米材料,使得柔性电极即使在超高负载量(30.1 mg cm-2)下依然具有高比表面积(139.7 m2 g-1)。界面的高导电性促进电子的传输,高孔隙和高电解质亲和性保证离子快速迁移。因此,这种独特的一维纳米网络包裹“高比表面积、高孔隙率、高电导率”界面的结构,能够使得柔性电极在高负载下具有快速的电化学动力学,从而得到基于同样结构设计的具有超高电化学性能的阳极(9501 mF cm-2, 315.6 F g-1, 30.1 mg cm-2)和阴极(6212 mF cm-2, 248 F g-1, 25 mg cm-2)。组装得到的准固态非对称柔性固态超级电容器具有优异的电化学性能(1.42 mWh cm-2, 2.2 V, 2105 mF cm-2),在大容量柔性储能设备中具有广阔的应用前景。

3 图文导读

图1 高负载柔性电极结构设计示意图:三高界面构筑+一维纳米材料负载

图2 高负载阳极结构表征。a. 碳化纤维素织物基底电镜图,插图为相应的水接触角。b, c. 织物基底为界面修饰直接负载一维纳米材料(CNT)的电镜图。d, e. 基底界面构筑后的电镜图。f. 构筑界面的N1s图谱。g, h. 界面构筑后负载CNT的电镜图。i. 高负载阳极在弯曲状态下的图片。

图3 高负载阳极电化学性能表征。a-c. 循环伏安、充放电和交流阻抗对比图谱。d. 离子阻抗(Ri)。e. 快速电容性容量贡献比例。f. 不同扫描速率下容量贡献对比。g. 大电流密度下循环稳定性。h. 面电容、质量电容和负载量对比。

图4 准固态非对称柔性超级电容器电化学性能。a. 不同器件电压下正负极分压。b. 2.4 V器件电压下正负极分压。c. 2.2 V器件电压下正负极分压。d, e. 准固态非对称超级电容器的循环伏安和充放电。f. 准固态非对称超级电容器在不同弯曲状态下的循环伏安。g. 准固态柔性非对称超级电容器的 ragone图。h, i. 点亮器件展示。

论文第一作者为华南理工大学博士生陈儒维,通讯作者为王小慧教授。该工作获得国家重点研发计划(2019YFE0114400)、国家自然科学基金(32171721;22005103)和泰山产业领军人才计划等项目的资助,谨此感谢。

4 通讯作者简介

王小慧,华南理工大学轻工科学与工程学院教授,博士生导师,制浆造纸工程国家重点实验室副主任。主要从事生物质基材料、纸基材料研究,涉及纤维素、壳聚糖等生物质多糖的溶剂开发和功能化改性;基于生物质自组装的纳米胶体材料;生物质基多孔碳、碳量子点材料;具有导电、超疏水等功能的纸基新材料、可热加工的全生物质基材料等。已在发表SCI研究论文110余篇,申请并授权发明专利30余件,获2015、2019教育部自然科学二等奖,入选中组部万人计划青年拔尖人才、教育部新世纪优秀人才等计划。任纤维素行业协会专家委员会委员、纤维素专业委员会委员、广东造纸学会理事,SCI期刊Industrial Crop & Products副主编、BioresourcesMolecules、《中国造纸》、《中国造纸学报》、《林产化学与工业》等编委。

论文信息

Interface engineering on cellulose-based flexible electrode enables high mass loading wearable supercapacitor with ultrahigh capacitance and energy density

Ruwei Chen, Hao Ling, Quanbo Huang, Yang Yang, Xiaohui Wang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202106356

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202106356