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中國科學(xué)院蘇州納米所等在高性能柔性?xún)δ芷骷芯恐腥〉眠M(jìn)展
來(lái)源:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所  瀏覽次數:229  發(fā)布時(shí)間:2020-12-04

      近日,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員邸江濤等與佐治亞理工學(xué)院教授Ching-ping Wong合作,設計并制備出鋅摻雜氧化銅納米線(xiàn)(Zn-CuO)三維陣列結構,為電化學(xué)活性物質(zhì)MnO2提供導電支架,獲得高負載的MnO2納米片材料。將生長(cháng)在銅線(xiàn)表面的Zn-CuO@MnO2材料用于同軸非對稱(chēng)纖維型超級電容器正極材料,獲得了高的比容量及寬的工作電壓窗口。

  同軸非對稱(chēng)纖維型器件具有體積小、便攜、工作窗口大等優(yōu)勢,被認為在未來(lái)柔性可穿戴及微型的電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。然而目前,同軸非對稱(chēng)纖維器件仍存在能量密度低、電極材料及結構設計的局限性等問(wèn)題,這限制了其進(jìn)一步應用。二氧化錳具有高的理論容量、低成本、低毒性和環(huán)境友好等特性,被認為是優(yōu)異的電化學(xué)活性材料。然而,二氧化錳材料低的導電性和易于團聚的問(wèn)題導致了其有限的比容量和功率密度。

  為解決上述問(wèn)題,蘇州納米所研究員李清文團隊與Ching-ping Wong團隊合作,設計并制備出Zn-CuO@MnO2納米線(xiàn)陣列電極;使用Zn0.11CuO@MnO2作為核電極(正極)、生長(cháng)在碳納米管薄膜上的VN納米線(xiàn)陣列作為負極,包覆在核電極表面組裝同軸非對稱(chēng)超級電容器。

  Zn-CuO納米線(xiàn)通過(guò)一步法原位生長(cháng)在銅線(xiàn)表面,為MnO2提供導電支架和沉積基底。Zn摻雜進(jìn)入CuO晶格提高了CuO的導電性,改進(jìn)了MnO2納米片在電化學(xué)反應過(guò)程中與導電基底之間有效的電子傳輸。與其他導電支架相比,Zn-CuO納米線(xiàn)為復合電極貢獻了部分容量。通過(guò)摻雜不同含量的Zn,獲得了導電性和比容量較佳的Zn0.11CuO納米線(xiàn)材料。其能夠負載MnO2的質(zhì)量達12.4 mg/cm2,使電極獲得了高的面積比容量(4.26 F/cm2)。

  該同軸非對稱(chēng)器件的工作電壓能夠達到1.8 V,比容量為296.6 mF/cm2,能量密度為133.5 mWh/cm2(功率密度為0.9 mW/cm2)。與其他同軸非對稱(chēng)超級電容器相比,該研究制備的器件的能量密度和功率密度明顯優(yōu)于其他同類(lèi)器件。為進(jìn)一步驗證其在可穿戴柔性器件領(lǐng)域的應用,研究人員考察了同軸非對稱(chēng)超級電容器在不同彎曲條件下的電化學(xué)穩定性。結果顯示,在不同彎曲條件下,器件充放電曲線(xiàn)無(wú)明顯變化,這說(shuō)明其在外力形變狀態(tài)下,具有較好的電化學(xué)穩定性及循環(huán)穩定性。這種同軸非對稱(chēng)超級電容器能夠點(diǎn)亮一個(gè)2 V的LED小燈泡并能維持60 s。該研究成果的發(fā)表為纖維型儲能器件在柔性可穿戴領(lǐng)域的發(fā)展提供了進(jìn)一步的可能性。

  相關(guān)研究成果以Atomic Modulation 3D Conductive Frameworks Boosts Performance of MnO2 for Coaxial Fiber-Shaped Supercapacitors為題,發(fā)表在Nano-Micro Letters上。蘇州納米所助理研究員、博士王曉娜為論文第一作者,邸江濤、李清文、Ching-ping Wong為論文的通訊作者。


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