Adv. Energy Mater.：高性能芯鞘结构可伸缩型线状电容器

【引语】

随着可穿戴式储能器件的需求日益增加，柔性可弯曲、伸缩型的储能材料和储能器件成为众多研究者的研究重点。其中，线性电容器因其微型储能和强柔韧性特点，可编织成各种形状的储能器件，而如何在保持其优势的前提下尽量提高其体积和质量能量密度是其发展的关键。电容器的能量密度E =1/2 CV²，从中可知，提高能量密度的途径有提高比电容和扩大电压窗口两条途径。另一方面，大多数线性电容器关注于器件本身的可弯曲性，而可伸缩需求特点常常被忽略。

【成果简介】

为改良线性电容器可伸缩性质以及电压窗口低等问题，哈尔滨工业大学黄玉东教授（通讯作者）和特拉华大学的邹祖炜教授（通讯作者）合作在Advanced Energy Materials上发表文章，研究人员将负载有纳米二氧化锰的碳纳米管纤维作为正极，负载有聚吡咯的碳纳米管薄膜作为负极，组装成高电压区间（1.5V）的非对称电容器，其芯鞘型结构有充分利用活性材料的比表面积。为进一步实现可伸缩特性，研究人员通过螺旋缠绕的方式实现了该线装电容器的可伸缩特点，其可在伸缩达20%的情况下仍然保持优异的电化学储能特性。

【图文导读】

图1 碳纳米管薄膜的扫描和投射表征图片

（a）碳纳米管薄膜SEM图

（b）碳纳米管束SEM图

（c）碳纳米管纤维的扫面电镜图片

（d）碳纳米管的投射电镜图片

图2 CNT@MnO2纤维的扫描图片，元素分布图，XRD表征图

 （a）（b）CNT@MnO2纤维的扫描电镜图片

（c）碳（d）氧（e）锰元素的EDX图片

（f）CNT@MnO2纤维的元素EDX谱

（g）CNT@MnO2纤维材料的XRD表征图

图3 CNT@PPy复合物薄膜的SEM图片，拉曼表征图谱

（a）CNT@PPy复合物薄膜的扫描电镜图片

（b）CNT和CNT@PPy的拉曼谱图。

图4 CNT@MnO2和CNT@PPy复合电极的CV曲线，制备示意图，拉伸状态下的SEM表征图

（a）CNT@MnO2和CNT@PPy复合材料在电极体系下的CV图（1M KOH，20 mv/s）

（b）螺旋型芯鞘结构线状电容器的制备过程

（c）线状电容器的截面扫描电镜图，线状电容器在0%

（d）和50%（e）拉伸状态下的扫面电镜图。

图5 拉直状态下线状电容器的电化学性能

（a）在不同电压下的CV曲线

（b）电流密度2.6 mA cm-2时，在不同电压下的GCD曲线

（c）拓宽电压窗口对电容器面电容的影响

（d）在不同扫速下非对称线状电容器的CV曲线

（e）电压1.5V时，在不同电流密度下的GCD曲线

（f）不同扫速下电容器的面电容、线电容和质量比电容性能

图6 可伸缩型线性电容器的电化学性能

（a）不同扫速下的CV曲线

（b）不同拉伸状态下的CV曲线和（c）恒流充放电曲线

（d）不同扫速下的面电容

（e）该工作和之前报道过的工作的Ragone曲线

（f）20%拉伸状态下的200圈循环曲线，插图为在0%和20%拉伸状态下的5000圈循环对比图

【总结】

该研究工作通过CNT@MnO2复合纤维和CNT@PPy复合薄膜分别作为线状电容器的正负极，提高了电化学储能的电压窗口，并在器件组装上创新性的提出了螺旋结构，以此实现器件的可伸缩特性，为后续研究工作提供了很好的思路。

原文链接：A High Performance Stretchable Asymmetric Fiber-Shaped Supercapacitor with a Core-Sheath Helical Structure（Adv. Energy Mater.，2016，DOI: 10.1002/aenm.201600976）

本文由材料人编辑部新能源学术组李强供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”,欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。