多孔|分层|柔性：平面&线性超级电容器

研究背景

 

超级电容器具有高功率密度、快速充放电、高安全性和高循环稳定等特点，常被应用于新兴可穿戴电子设备、多动力汽车、以及间歇式能量供应平衡系统等。然而，和电池相比，超级电容器的能量密度相对较低，限制了其在高能耗类电子产品（比如手机）的广泛应用。目前，以二维活性材料（比如石墨烯）开发高性能复合电极体系是解决超级电容器低能量密度问题的一种有效途径。然而，简单的复合难以有效发挥材料间的协同效应，无法获得理想的电容性能（比如：高比电容，良好循环稳定性或倍率性能）。因此，基于二维材料复合电极开发高性能超级电容器的关键是：设计能够发挥材料组分特性的复合结构，实现目标协同效应。

Hierarchical Porous RGO/PEDOT/PANI Hybrid for Planar/Linear Supercapacitor with Outstanding Flexibility and StabilityFuwei Liu, Luoyuan Xie, Li Wang, Wei Chen, Wei Wei, Xian Chen, Shaojuan Luo, Lei Dong, Qilin Dai, Yang Huang* and Lei Wang*Nano-Micro Lett.(2020)12:17https://doi.org/10.1007/s40820-019-0342-5

本文亮点

 1 设计制备分层次、多孔的还原氧化石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐/聚苯胺（RGO/PEDOT/PANI）复合超电容电极材料。2 该材料展现出535 F/g的高比电容，良好倍率性能和高循环稳定性。

内容简介

深圳大学材料学院王雷教授课题组通过引入造孔剂、酸处理、电化学合成工艺，成功构建了一种具有分层次、多孔结构设计的高性能RGO/PEDOT/PANI复合电极材料。上述分层次、多孔结构设计使复合材料各组分能够充分发挥自身优势，形成具有丰富电化学反应界面的连续高导电网络。因此，该柔性复合电极可实现高达535 F/g的比电容，良好的倍率性能以及高循环稳定性。受益于复合电极优异的电化学性能，所组装的平面型电容器表现出了高储能特性，比如当功率密度为800 W/kg时，其能量密度可以达到26.89 Wh/kg。不仅如此，RGO/PEDOT/PANI复合电极还可以移植至绝缘棉纱线上，用于制备性能优异的线型电容器，提供179.5 mF/cm²的比电容和0.016 mWh/cm²能量密度。这种分层次、多孔RGO/PEDOT/PANI电极的成功制备，可为其他复合型高性能超电容电极体系的设计提供有益借鉴和启示。

图文导读

I 分层次、多孔RGO/PEDOT/PANI复合电极的构建

如图1所示，首先采用维生素C（Vc）造孔，制备出多孔的氧化石墨烯（GO）/ PEDOT:PSS薄膜基底；随后采用高氯酸（HClO₄）和氢碘酸（HI）处理，进一步提高多孔基底的导电性；最后以电化学沉积方法，将PANI纳米棒引入到多孔导电膜基底上，获得具有分层次、多孔结构的RGO/PEDOT/PANI电极材料。

图1 多层次、多孔RGO/PEDOT/PANI复合电极的构建示意图。

II RGO/PEDOT/PANI复合电极优异的电化学性能

如图2所示，RGO/PEDOT/PANI复合电极材料受益于其优良导电性和分层多孔结构，具有丰富的电化学反应界面，可提供高比电容（535 F/g），良好的倍率性能以及高循环稳定性。

图2 (a) GO/PEDOT:PSS，RGO/PEDOT以及RGO/PEDOT/PANI电极在扫描速率为50 mV/s时的循环伏安测试（CV）图谱; (b) GO/PEDOT:PSS，RGO/PEDOT，以及RGO/PEDOT/PANI电极在电流密度为1 A/g时的恒流充放电（CD）图谱; (c) GO/PEDOT:PSS，RGO/PEDOT，以及RGO/PEDOT/PANI电极的阻抗测试图谱; (d)RGO/PEDOT/PANI复合电极在不同扫描速率下的CV图谱; (e)RGO/PEDOT/PANI电极在不同电流密度下的CD图谱; (f)RGO/PEDOT/PANI复合电极的循环稳定性测试，电流密度为5 A/g。

III 分层多孔RGO/PEDOT/PANI的结构表征

分层多孔RGO/PEDOT/PANI电极优异的电化学性能源于其独特的结构。如图3所示，RGO/PEDOT/PANI中排列有序的PEDOT分子保证了载流子的传输效率；光谱表征显示，各组分间存在强相互作用，可以确保电荷在各组分间的高效传输； PANI的良好结晶性亦有利于其发挥赝电容性能。此外，RGO/PEDOT/PANI薄膜连续的分层多孔结构，为电子和离子在电化学反应中的高效传输提供了保障。上述结构优势是RGO/PEDOT/PANI实现高比电容，良好倍率性能和高循环稳定性的根本原因。

图3 GO/PEDOT:PSS，RGO/PEDOT以及RGO/PEDOT/PANI的结构表征：(a) XRD图谱, (b) FTIR图谱, (c)Raman图谱, (d) Uv−vis图谱, (e) XPS 全谱, (f) RGO/PEDOT/PANI的N1s图谱。

IV 基于RGO/PEDOT/PANI的高性能平面型电容器

由于RGO/PEDOT/PANI电极优异的电化学性能，所组装的平面型电容器同样也表现出高储能特性：当其功率密度为800 W/kg时，可以能提供26.89 Wh/kg的能量密度。另外如图4所示，平面型电容器还拥有良好的倍率性能、优异的循环以及机械稳定性能。

图4 (a) 基于RGO/PEDOT/PANI电极的平面电容器在不同扫描速率下的CV图谱; (b) 器件在不同电流密度下的CD图谱; (c) 器件的循环稳定性，电流密度为5 A/g; (d)柔性平面型器件的紧凑结构，其厚度为141 μm; (e) 器件在不同弯折角度时的电容保持率; (f) 器件的Ragone图及与其他文献所报道器件性能的对比。

V 基于RGO/PEDOT/PANI的高性能线型电容器

将RGO/PEDOT/PANI移植至绝缘棉纱线上，可制备性能优异的线型电容器，其比电容数值可以达到179.5 mF/cm²，同时其能量密度能够达到0.016 mWh/cm²。构建的线型电容器展现出优异的机械稳定性和储能特性：将3个线型电容器串联后，能够为电子表持续供电超过半小时。

图5 (a) 线型器件示意图; (b)线型超电容的SEM截面形貌; (c) 线型超电容在被任意拉抻、弯折、扭曲、打结时，其结构依然可以保持完整并持续为电子表供电; (d) 线型超电容的Ragone图及与其他文献所报道器件性能的比较; (e)三个线型电容器串联后可以为电子表持续供电半小时。

作者简介

黄扬 HUANG Yang

本文通讯作者

深圳大学材料学院▍主要研究领域

主要从事低维度材料的制备及其表面调控，同时实现其在新颖微/纳结构电子、能源存储器件的应用。

▍主要研究成果

在ACS NANO, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie International Edition, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Nature Communication, Nano Energy等期刊杂志发表学术论文多篇，被引用4500余次，其中12篇论文入选ESI高被引论文，H-index指数为35。2019年入选Nature Index材料科学领域“后起之秀年轻科学家”（全球共五人，https://www.nature.com/articles/d41586-019-03765-0）。

▍Email:[e-mail]

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王雷 WANG Lei

本文通讯作者

深圳大学材料学院

▍主要研究领域

主要从事燃料电池质子交换膜和高分子热电材料方面的研究。

▍主要研究成果

深圳大学材料学院教授，博导，材料学院院长，南山区人大常委，九三学社市委委员。主持国家项目3项，省2项，市基金6项，发表论文100余篇，SCI论文被引用1600余次，申请专利20余项。先后获得深圳市优秀班主任，深圳大学优秀研究生指导老师，深圳大学青年教师讲课竞赛一等奖，深圳大学科技创新奖二等奖和三等奖等奖励。

▍Email: [e-mail]

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报》编辑部

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