高能量密度柔性充電機充電超級電容器的組裝設計方案
2017-8-12 9:07:30??????點擊：
【引言】
隨著便攜式電子設備需求的快速增長，柔性、輕質的充電機充電超級電容器是一種新型的儲能充電機器件，以其高的能量密度和安全性受到廣泛的關注。作為充電機充電超級電容器的重要組成部分，電極材料決定著充電機器件的整體性能。過渡金屬氧化物、導電聚合物等贗充電機充電電容材料資源豐富、綠色環保、電化學性能優越，其中二氧化錳電極材料由于導電性能低、使其在電化學反應中不能進行高效的自由電子和離子的輸運。為了增加材料的導電性和活性面積，提高材料的穩定性，進行電極材料形貌的和結構的調控是至關重要的。
【成果簡介】
濟南大學徐錫金教授（通訊作者）與華中科技大學翟天佑教授（通訊作者）合作在Nano Energy在線發表題為“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，環保的方法合成PPy納米線為導電骨架和極薄的MnO2納米片為殼的納米結構。這種核殼結構高效的增加了MnO2的活性面積和導電性，也提高了PPy的電化學穩定性，進而縮短了離子的傳輸距離。PPy@MnO2核殼結構具有高的比充電機充電電容(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). 并進一步以PPy@MnO2核殼結構為充電機充電超級電容器的正極材料，以超級充電機充電電容活性炭(AC)為負極材料組裝成超柔性非對稱充電機充電電容器。得到的充電機充電超級電容器擁有杰出的穩定性(在3 A g?1時循環6000次保持初始充電機充電電容值的90.3%)，機械柔韌性，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，將促進柔性儲能裝置的快速發展。
【圖文導讀】
MnO2納米片，PPy納米線和PPy@MnO2核殼結構的合成示意圖，形貌表征和結構、成分分析
(a)PPy納米線@MnO2納米片核/殼納米結構合成示意圖。
(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/殼納米結構的EDS元素分布圖。
(j)PPy納米線@MnO2納米片的XRD圖譜。
圖2：PPy@MnO2核殼結構的電化學充電機充電電容性能表征及分析
(a)MnO2、PPy、ACFC和PPy@MnO2核/殼納米結構在30 mV s-1下的CV 曲線對比圖。
(b)MnO2、PPy、ACFC和PPy@MnO2核/殼納米結構在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納米片電極的循環壽命圖及電極在循環前后顏色的變化。
非對稱充電機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)非對稱充電機充電超級電容器的組裝示意圖。
(b) 非對稱柔性充電機充電超級電容器的柔韌性數字圖像。
(c)PPy@MnO2核/殼納米結構與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充電超級電容器的電化學充電機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)非對稱柔性充電機充電超級電容器的循環穩定性測試。
(d)非對稱柔性充電機充電超級電容器與已報道的充電機充電超級電容器的對比Ragone plot圖。
(e)非對稱柔性充電機充電超級電容器的機械柔韌性研究。
(f)一片和兩片非對稱柔性充電機充電超級電容器串聯恒流充分電圖及簡單應用。
【總結與展望】
該種PPy@MnO2核殼結構，通過協調充分利用MnO2在中性電解液中的高穩定性和聚合物PPy的優良導電性，構建了快速、豐富、高效的電子和離子輸運路徑，有效的解決了PPy在中性電解液下的不穩定性。組裝的柔性充電機充電超級電容器擁有杰出的穩定性，機械柔韌性，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模制備環境友好型的聚吡咯雜化復合材料，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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