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3D类神经元结构碳泡沫用于自支撑、高度可压缩全固态超级电容器取得进展

已有 1445 次阅读 2020-10-1 10:57 |系统分类:论文交流

孙立ACS Appl. Mater. Interfaces论文:3D类神经元结构碳泡沫用于自支撑、高度可压缩全固态超级电容器

穿戴式、柔性、弹性电子设备近年来受到越来越多的关注。要为这些弹性电子设备提供动力,需要具有优异机械性能的柔性、可压缩/可拉伸电源。在各种电源中,锂离子、钠离子、锂空气和锂硫电池提供比超级电容器更高的能量密度,然而,由于其有毒的有机电解液和成本的增加,使得具备安全性高、循环寿命长、超高功率密度等特点的超级电容器在柔性电源中成为理想的候选装置。商用的超级电容器大多是双电层电容器,它依赖于离子在高比表面积的碳基材料上的可逆电吸附。因此,电解质离子的有限表面积阻止了它们获得高容量。而赝电容材料,包括金属氧化物或导电聚合物,通过快速可逆电荷转移表面法拉第反应储存更多电荷。但循环稳定性差、速率低和电导率低限制了典型赝电容器的寿命和功率密度。


    武汉大学物理科学与技术学院 潘春旭教授课题组,长期致力于碳纳米材料的制备与应用。最近,与深圳信息职业技术学院孙亚飞教授合作(共同通讯作者),博士生孙立等人首次采用简单、高效的方法制备了一种自支撑、高度可压缩的全固态超级电容器的电极材料(MXene/NCF复合材料),它以3D多孔类神经元式结构的形式存在。新设计的复合材料将Ti3C2Tx纳米片的高导电性、赝电容与3D多孔类神经元式结构相结合,使其具有优异的可压缩性能、高效离子传输和更丰富的活性位点。这种3D多孔类神经元式结构的MXene/NCF复合材料的制备,为下一代长寿命多功能电子器件的设计和制造进一步满足可持续发展的要求开辟了一条新的途径。研究成果发表在国际著名学术刊物《ACS Applied Materials & Interfaces》上(Publication Date (Web): 15 Sep 2020)。

 

主要创新性成果如下:

1通过高温碳化直接制备了具有三维互联网络类神经元结构的MXene/N掺杂碳泡沫(MXene/NCF)可压缩复合材料,用于柔性超级电容器的研制。

2)MXene/NCF可压缩材料中,NCFMXene协同作用:NCF支撑MXene纳米片构建3D网状类神经元结构以增大比表面积,MXene增强导电性、亲水性和提供赝电容。因此,MXene/NCF电极呈现出优良的电子导电性,高效离子通道和更多可接近的电化学活性位点。

3)MXene/NCF电极在0.5mA cm-3时体积电容为3162 mF cm-3332F g-1),循环5000次电容可保留在109%

4)值得注意的是,基于MXene/NCF电极的固态对称超级电容器件都表现出高的比电容和显著的高速率能力。

5)该集成器件在60%的压缩应变下几乎没有电容损失。

这些优异的电化学和压缩性能使MXene/NCF成为柔性超级电容器中良好的可压缩电极材料,拓宽了柔性超级电容器的应用领域。


相关论文信息:

    Li Sun, Gongsheng Song, Yafei Sun*, Qiang Fu, and Chunxu Pan*: "MXene/N-Doped Carbon Foam with 3D Hollow Neuron-Like Architecture for Freestanding, Highly Compressible All Solid-State Supercapacitors" , ACS Applied Materials & Interfaces, Publication Date (Web): 15 Sep 2020.(工程技术一区,材料科学一区,影响因子(IF):8.758)


https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c13059


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