四川大學:基於三維碳材料的導電鍵網絡, 用於柔性超級電容器

材料分析與應用 發佈 2022-12-26T18:07:52.292134+00:00

高性能超級電容器被廣泛研究,但很少有工作關注電極中導電鍵合網絡的優化以提高其電化學性能。本文,四川大學尹波教授團隊在《Electrochimica Acta》期刊發表名為「Construction of Three-dimensional Carbon Materials-based Conductive Bonding Network in Flexible Supercapacitor Electrodes」的論文,研究通過真空過濾將合理設計的由一維羧基碳納米管和二維還原孔狀氧化石墨烯組成的三維導電鍵合網絡引入到多孔碳納米纖維/超薄二氧化錳納米片電極。

成果簡介

高性能超級電容器被廣泛研究,但很少有工作關注電極中導電鍵合網絡的優化以提高其電化學性能。本文,四川大學尹波教授團隊在《Electrochimica Acta》期刊發表名為「Construction of Three-dimensional Carbon Materials-based Conductive Bonding Network in Flexible Supercapacitor Electrodes」的論文,研究通過真空過濾將合理設計的由一維羧基碳納米管(CNT-COOH)和二維還原孔狀氧化石墨烯(rHGO)組成的三維(3D)導電鍵合網絡引入到多孔碳納米纖維/超薄二氧化錳納米片(PCNF/U-MnO2)電極。

CNT-COOH/rHGO網絡使電極具有理想的電子傳輸和離子擴散特性,因為它在三維結構、導電性和電解質潤濕性方面具有優勢,這促進了PCNF/U-MnO2活性材料的有效使用。因此,在帶有CNT-COOH/rHGO網絡的電極中,PCNF/U-MnO2顯示出比傳統的用PTFE和乙炔黑製造的電極更好的電容性能。

此外,CNT-COOH/rHGO網絡有利於PCNF/U-MnO2電極的結構穩定,即使在4500次循環後也能獲得87%的電容保持率。然後,組裝了一個由PCNF/U-MnO2陰極和N、B摻雜的PCNFs陽極組成的不對稱超級電容器,使用LiCl/PVA水凝膠作為電解質表現出良好的靈活性,在540.8W kg-1的功率密度下具有45 Wh kg-1的高能量密度。CNT-COOH/rHGO網絡的構建策略可以成為有利於高性能超級電容器製備的有效和有前途的方法。本工作中提出的CNT-COOH/rHGO三維碳材料的環保和易於擴展的策略將是一種有前途的方法,用於製備具有粉末活性材料的柔性超級電容器中的導電鍵合網絡。

圖文導讀

方案1. PCNF/U-MnO2柔性電極的製備示意圖

圖1. PCNF/U-MnO2混合體的形態和元素組成

圖2、以rHGO/CNT-COOH為導電粘合劑的PCNF/U-MnO2電極(07HGO13CNT-COOH)的SEM圖像及其示意圖

圖3. (a) 不同掃描速率下的CV曲線。(b)GCD曲線,(c)不同電流密度下的比電容和相應的速率能力。(d) 07HGO13CNT-COOH電極在20A g-1的循環性能。

圖4。在雙電極系統中,以1M Na2SO4為水電解質的PCNF/U-MnO2//N,B-PCNFs ASC器件的電化學性能

圖5。(a)PCNF/U-MnO2//N,b-PCNF全固態ASC器件的平坦和彎曲模式的比電容和(b)100 mV s−1下的CV曲線的比較。(c) 該工作中的含水和全固態(包括平模式和彎曲模式)ASC裝置的Ragone圖

小結

綜上所述,本文開發了一種有效的、通用的、合理的碳材料基導電鍵合網絡(CNT-COOH/rHGO)的構建策略,該策略被用於製備柔性PCNF/U-MnO2電極。採用簡單的製備方法設計CNT-COOH/rHGO網絡為構建超級電容器電極的導電鍵合網絡提供了新的思路,該研究適合於柔性電極的製備,具有廣闊的應用前景。

文獻:

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.141751

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