科普專欄 / Information

源于“冰凍湖”的靈感——一種柔性電容儲能器件的設計

随着移動電子設備的迅速增殖,人們對于超輕、柔性和高效率儲能器件的需求也随之逐漸攀升。超級電容器作為一種重要的儲能器件,自20世紀後期以來受到持續的關注。通常來說,超級電容器主要有兩種材料體系,一種基于碳材料,另一種則基于過渡金屬氧化物。其中,前者具備較高的功率密度,而後者往往具有較高的能量密度。為了實現高效率儲能,人們開發出了一種混合式超級電容器,該器件分别采用碳材料與過渡金屬氧化物作為兩極材料,從而能兼顧功率密度和能量密度。而通過引入固态電解質,可以制成柔性電容器件。

受亞伯拉罕湖底可燃冰氣泡的啟發,複旦大學的Ma Xiaohua的研究團隊提出了一種新的材料設計方法。他們首先将還原氧化石墨烯(rGO)與摻鐵二氧化錳(MFO)顆粒複合獲得了氣凝膠,然後将其浸入雙氧水溶液中,利用二氧化錳對雙氧水的催化分解作用,向體系中引入氣泡,進而通過冷凍幹燥,利用還原氧化石墨烯與摻鐵二氧化錳顆粒之間的空隙與外界冰晶之間的壓力差,最終獲取了還原氧化石墨烯緊密包覆的摻鐵二氧化錳的複合材料,該材料被用作他們所設計的非對稱電容器的負極材料。這種制備方法過程中引入氣泡的步驟非常關鍵,未引入氣泡的對照組在冷凍幹燥之後獲取複合材料中,摻鐵二氧化錳顆粒僅能夠随即的分布在還原氧化石墨烯所提供的基底中,而不能夠形成上述的包覆結構,而這種包覆結構對于電極材料整體的導電性進而促進材料的電容發揮而言非常有利。通過類似的方法作者也獲取還原氧化石墨烯緊密包覆的層次孔碳(HPC)複合材料。

而後,作者們将這兩種複合材料分别作為非對稱電容器(ASC)的正負極材料測試了體系的電容性能。在構建電容器時,作者們通過光聚合方式合成了一種高分子凝膠電解質(GPE),并且在合成過程中引入了上述的層次孔碳材料來改善電解質的離子導通性能。最終整個電容器體系發揮出了較為優異的能量特性,在外部變形的狀态下,也能夠實現長循環過程中較高的穩定性(8000圈,保持率91.6%)。值得一提的是,該電解質在高溫下性能優異,在80攝氏度下仍能穩定工作,而在此溫度下,如今普遍采用的PVA-KOH凝膠電解質會産生明顯的電解液洩露甚至熔化現象。該工作在材料的設計和制備上具有較高的參考價值。

來源:低維材料

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