科研进展简报

超级电容器研究进展

来源:武汉光电国家研究中心    作者:能源光子学功能实验室    发布时间:2018年06月22日

        随着便携,可穿戴电子器件的广泛应用,微型超级电容器作为能源供应单元显得尤为重要。然而,微型超级电容器在实际应用中易于受到机械损伤导致其性能破坏。其次,超级电容器活性材料载量普遍很低,且随载量增加时,超级电容器性能显著下降。另外, 含超级电容器的多功能集成器件相比单一器件具有更多的功能、更小的体积和更少的单元。超级电容器-光探测器作为典型的多功能集成系统,在化学生物感知、药物治疗和环境监控显示出极大的优势并且得到广泛的研究。但是,目前超级电容器-光探测器集成系统都是采用外部连接方式,这样势必导致能量和空间的浪费。所以,对超级电容器赋予自修复性,高性能下载量增加和内部自连接的研究在超级电容器实际应用领域非常重要。

        针对以上第一个问题,高义华教授团队的博士生岳阳等人做出了《Highly Self-Healable 3D Microsupercapacitor with MXene-Graphene Composite Aerogel》的研究,并发表在2018年4月12日的美国化学学会旗下著名期刊《ACS Nano》(2018, 12, 4224−4232)。该团队制备出具有优异机械性能的MXene- rGO复合气凝胶。该复合气凝胶结合rGO的大比表面积和MXene的高导电性,有效防止了层状结构的自堆叠。基于该3D MXene-rGO气凝胶的微型超级电容器提供了高达34.6 mF cm-2的面积比电容,并在经过15,000次循环后仍保留高达91%的电容量。通过进一步包裹具有自修复性能的聚氨酯外壳,器件展现了出色的自修复能力(第五次愈合后保留81.7%的电容量)。该工作提供了设计和制造下一代长寿命多功能电子器件的方法,并进一步满足了可持续发展的需求。

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图1, PU的自修复过程、MXene-石墨烯复合气凝胶制备和超级电容器驱动钙钛矿纳米线光探测器示意图

 

        基于以上的第二,三个问题,团队的博士生王思亮等人设计和实现了内部集成光探测功能的垂直叉指非对称超级电容器,并发表在《Journal of Materials Chemistry A》上(2017, 5, 22199-22207。文章题目:Vertical finger-like asymmetric supercapacitors for enhanced performance at high mass loading and inner integrated photodetecting systems)。

垂直叉指超级电容器相比传统平面超级电容器具有以下优势:更小的层间距;更大接触面积;内部集成光探测系统。研究表明当电极质量增加时,超级电容器电容性能增强,当载量从m0增加到5m0时,比电容增加44.4%;内部集成的光探测系统展现出优越的光探测性能。该结果很好地解决了上述的问题,并且提供了探索高性能和多功能集成器件新思路。

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图2, (a)垂直叉指和传统超级电容器结构、电容随负载关系示意图,(b)内部集成光探测原理图。

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图3,  (a)循环伏安曲线,(b)恒流充放电曲线,(c)比电容随载量变化,(d)开关比随光强变化。

 

        上述工作得到了国家自然科学基金项目(11374110, 11674113和51371085)和湖北省自然科学基金的资助(2016CFB432)的资助。