高能量密度柔性充電機(jī)充電超級電容器的組裝設(shè)計(jì)方案
2017-8-12 9:07:30??????點(diǎn)擊：
【引言】
隨著便攜式電子設(shè)備需求的快速增長，柔性、輕質(zhì)的充電機(jī)充電超級電容器是一種新型的儲能充電機(jī)器件，以其高的能量密度和安全性受到廣泛的關(guān)注。作為充電機(jī)充電超級電容器的重要組成部分，電極材料決定著充電機(jī)器件的整體性能。過渡金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物等贗充電機(jī)充電電容材料資源豐富、綠色環(huán)保、電化學(xué)性能優(yōu)越，其中二氧化錳電極材料由于導(dǎo)電性能低、使其在電化學(xué)反應(yīng)中不能進(jìn)行高效的自由電子和離子的輸運(yùn)。為了增加材料的導(dǎo)電性和活性面積，提高材料的穩(wěn)定性，進(jìn)行電極材料形貌的和結(jié)構(gòu)的調(diào)控是至關(guān)重要的。
【成果簡介】
濟(jì)南大學(xué)徐錫金教授（通訊作者）與華中科技大學(xué)翟天佑教授（通訊作者）合作在Nano Energy在線發(fā)表題為“Flexible and High Energy Density Asymmetrical Supercapacitors based on Core/Shell Conducting PolymerNanowires/ Manganese Dioxide Nanoflakescore/shell”的文章，報道了一種低溫，簡單，環(huán)保的方法合成PPy納米線為導(dǎo)電骨架和極薄的MnO2納米片為殼的納米結(jié)構(gòu)。這種核殼結(jié)構(gòu)高效的增加了MnO2的活性面積和導(dǎo)電性，也提高了PPy的電化學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)而縮短了離子的傳輸距離。PPy@MnO2核殼結(jié)構(gòu)具有高的比充電機(jī)充電電容(276 F g?1 在電流密度為2 A g?1時)和極高充電機(jī)充電電容保持率72.5%(200 F g?1在電流密度為20 A g?1). 并進(jìn)一步以PPy@MnO2核殼結(jié)構(gòu)為充電機(jī)充電超級電容器的正極材料，以超級充電機(jī)充電電容活性炭(AC)為負(fù)極材料組裝成超柔性非對稱充電機(jī)充電電容器。得到的充電機(jī)充電超級電容器擁有杰出的穩(wěn)定性(在3 A g?1時循環(huán)6000次保持初始充電機(jī)充電電容值的90.3%)，機(jī)械柔韌性，寬的電壓窗口(1.8-2.0 V)和高的能量密度(25.8 W h kg?1在功率密度為901.7 W kg?1)。這種策略采用簡單的方法制備低成本的電極材料，將促進(jìn)柔性儲能裝置的快速發(fā)展。
【圖文導(dǎo)讀】
MnO2納米片，PPy納米線和PPy@MnO2核殼結(jié)構(gòu)的合成示意圖，形貌表征和結(jié)構(gòu)、成分分析
(a)PPy納米線@MnO2納米片核/殼納米結(jié)構(gòu)合成示意圖。
(b, c)和(d, e) MnO2納米片的高低倍SEM圖和PPy納米線SEM圖。
(f, g)PPy納米線@MnO2納米片SEM圖。
(h, i) PPy@MnO2核/殼納米結(jié)構(gòu)的EDS元素分布圖。
(j)PPy納米線@MnO2納米片的XRD圖譜。
圖2：PPy@MnO2核殼結(jié)構(gòu)的電化學(xué)充電機(jī)充電電容性能表征及分析
(a)MnO2、PPy、ACFC和PPy@MnO2核/殼納米結(jié)構(gòu)在30 mV s-1下的CV 曲線對比圖。
(b)MnO2、PPy、ACFC和PPy@MnO2核/殼納米結(jié)構(gòu)在3A g-1下的GCD曲線圖。
(c)三種不同電極材料的倍率性能圖。
(d) PPy納米線@MnO2納米片電極材料在不同掃速下的CV圖。
(e)PPy納米線@MnO2納米片電極材料在不同電流密度下的恒流充放電圖
(f)在3 A g -1的電流密度下PPy納米線和PPy納米線@MnO2納米片電極的循環(huán)壽命圖及電極在循環(huán)前后顏色的變化。
非對稱充電機(jī)充電超級電容器的組裝示意圖、工作電壓和柔韌性的測試
(a)非對稱充電機(jī)充電超級電容器的組裝示意圖。
(b) 非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器的柔韌性數(shù)字圖像。
(c)PPy@MnO2核/殼納米結(jié)構(gòu)與AC電極在掃描速率為30 mV s?1的CV曲線。
(d)PPy納米線@MnO2納米片非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器在掃描速率為30 mV s?1下的CV曲線。
PPy納米線@MnO2納米片非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器的電化學(xué)充電機(jī)充電電容性能表征及分析
(a) PPy納米線@MnO2納米片非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器在不同掃速下的CV圖。
(b)PPy納米線@MnO2納米片非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器在不同電流密度下的恒流充放電圖。
(c)非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器的循環(huán)穩(wěn)定性測試。
(d)非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器與已報道的充電機(jī)充電超級電容器的對比Ragone plot圖。
(e)非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器的機(jī)械柔韌性研究。
(f)一片和兩片非對稱柔性充電機(jī)充電超級電容器串聯(lián)恒流充分電圖及簡單應(yīng)用。
【總結(jié)與展望】
該種PPy@MnO2核殼結(jié)構(gòu)，通過協(xié)調(diào)充分利用MnO2在中性電解液中的高穩(wěn)定性和聚合物PPy的優(yōu)良導(dǎo)電性，構(gòu)建了快速、豐富、高效的電子和離子輸運(yùn)路徑，有效的解決了PPy在中性電解液下的不穩(wěn)定性。組裝的柔性充電機(jī)充電超級電容器擁有杰出的穩(wěn)定性，機(jī)械柔韌性，寬的電壓窗口和高的能量密度。更重要的是，該方法可以適用于大規(guī)模制備環(huán)境友好型的聚吡咯雜化復(fù)合材料，很容易推廣到制備其他的高性能儲能納米電極材料。
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