清华深研院杨诚综述：超级电容器微纳结构电极的电磁场制备技术

清华大学深圳研究生院的杨诚教授课题组10月25日在Advanced Materials Technologies在线发表了一篇关于超级电容器微纳结构电极电磁场制备技术的综述，详细梳理了电磁场制备技术在微纳结构电极制备领域的应用。

【文章主题】

最近十年里，电化学储能器件（EES）电极结构的研究取得了长足的进展。而在电极材料的制备中，包括静电技术、磁场技术以及电磁场技术在内的电磁制备技术扮演了非常重要的角色。这类环保、简易、条件温和的技术和传统的方法相比具有明显的优势，被用于制备具有多层次以及高度有序纳米结构的的电极，能够有效提高电极的综合性能。

【引言浏览】

近年来，便携式、可穿戴电子设备发展迅猛，而储能技术在其中扮演着重要的角色。超级电容器属于电化学储能设备的重要成员，凭借着高功率密度、超长周期寿命、低制造成本等优点，受到了广泛的关注。目前，常规电池、超级电容器的电极制备仍然采用浆料涂覆技术。然而，这种工艺技术高度依赖于浆料的成分、配制的条件以及集流体的厚度，致使电极材料混合效率不高、界面成分不易控制，难以高效地发挥出活性材料的电化学性能。

随着纳米技术的发展，近年来以构筑多层次的纳米导电骨架网络为主要目的的新型电极构建技术被广泛研究。相比于传统的浆料涂布工艺外，新型的静电纺丝、磁场诱导、光刻技术、激光烧蚀等可工业化的电极制备技术手段被视为未来最有潜力的技术手段。其中，基于电磁场的制备技术受到了广泛的关注。这种电极制备技术可以分为三个部分：基于静电作用技术的电极制备技术、基于磁场技术的电极制备技术，以及基于电磁波技术的电极制备技术。

基于电磁场技术的电极制备技术可以用于调控电极材料的性质，包括禁带宽度，形态，结构以及图形化等等。基于静电作用技术的电极制备技术具有操作简易，安全性高以及可控性强的优点，可以细分为静电喷雾技术、电沉积技术、静电纺丝技术等。基于磁场技术的电极制备技术已经有了许多应用的例子，包括诱导生长纳米阵列等等。本文从以上几种技术出发，对近年广泛报道的结果进行了梳理和综述。

【图文介绍】

1. 基于电磁场技术的电极制备技术

图1 紫外线照射还原氧化石墨烯

紫外线照射产生的水合电子将GO还原为rGO。

图2 激光制备与功能化技术

a.激光绘制石墨烯基电化学电容器的制备，利用普通光驱产生的激光还原的rGO表现出了极高的比容量和循环性能。

b.共平面以及三明治结构的rGO-GO-rGO器件，以GO作为固态电解质，激光还原的rGO作为电极，表现出极高的循环稳定性和储能能力。

激光加工及功能化技术不仅可以诱导电极材料相变、引入缺陷，而且可以简单、高效的制备不同形状的能源存储器件，是一种适用于大规模工业生产的低成本电极制备技术。

图3 γ射线制备的rGO/aMWCNT复合材料

2. 基于静电作用技术的电极制备技术

图4 结合静电喷雾和激光技工技术，制备的石墨烯基微型超薄（18mm）的超级电容器

图5 电沉积的二氧化锰或石墨烯基超薄超级电容器

利用电场可以操纵带电粒子定向移动，构建出理想的电极结构。以通过电场操纵生长的三维镍尖锥作为集流体骨架，通过电沉积技术，将二氧化锰或石墨烯负载到镍尖锥上，制备得到柔性、超薄、高性能的超级电容器。

3. 基于磁场技术的电极制备技术

图6 基于磁场诱导镍纳米线阵列的非对称可压缩型超级电容器

通过磁场诱导合成的超长（长度达1mm）、高度取向镍纳米线阵列。利用其高效的自由电子和离子的输运特性以及金属纳米线的超亲水特性，在上面负载金属氧化物二氧化锰以及导电高分子聚吡咯，装配出拥有高能量密度和优异循环性能的赝电容型非对称超级电容器。

【总结与展望】

综述详细论述了基于电磁场的制备技术在制备微纳结构电极领域的进展与成果。这类制备技术的诸多优势，为其在超级电容器电极的制备方面带来了广阔的前景，同时也为未来便携与可穿戴电子设备的制造带来了无尽的想象与启发。

文献链接：Fabrication and Engineering of Nanostructured Supercapacitor Electrodes Using Electromagnetic Field-Based Techniques （Adv.Mater.Tech,2017,DOI: 10.1002/admt.201700168）

本文由杨诚老师供稿，材料人编辑部曾祥天整理编辑。

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