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网盖:柔性金刚石纤维助力高能量密度锌离子超级电容器

2020-09-16 17:09 亿宏磨具 次阅读

研究背景

日益增长的可穿戴智能电子产品推动了柔性储能设备的持续发展。凭借其柔性好、体积小、质量轻和可编织的优势,纤维状超级电容器被认为是理想的柔性储能器件。但低能量密度是制约其应用的主要因素。

工作介绍

近日,德国锡根大学姜辛/杨年俊课题组成功制备了一种柔性金刚石纤维(一种以碳纤维为核,外围CVD沉积硼掺杂金刚石包裹的核壳结构)。由于该复合材料有效结合了碳纤维和硼掺杂金刚石的特性,使用柔性纤维状超级电容器正极材料将可以实现其优异的综合性能。通过结合锌离子混合电容器的高储能、安全和低成本等特点,文章构建了以该柔性金刚石纤维为正极、锌纳米片包覆的金刚石纤维为负极的高性能锌离子混合电容器。值得一提的是,无论是从体积还是质量上计算,该柔性金刚石电容器都具有高功率密度和高能量密度,且在不同弯曲角度下性能没有变化。此工作为柔性金刚石电容器在可穿戴电子设备中的应用开拓了前景。该文章发表在Adv. Energy Mater. 上。德国锡根大学博士研究生菅泽为本文第一作者。

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内容表述

实现高能量密度的纤维状超级电容器的一个有效路径是设计和制备高性能新型纤维电极材料。近年来硼掺杂金刚石作为一种SP3-碳电极材料由于其宽电势窗、高化学稳定性和环境友好等优越性能备受关注。然而由于硼掺杂金刚石通常沉积在缺乏柔性的硬质基材上(如硅片或金属基板),或已见报道自支撑金刚石纸或金刚石网络结构虽具有柔性但其机械稳定性和离子、电荷传输受限,因此有关金刚石影柔性电子器件(比如呀超级电容器)鲜见报告。本文设计的金刚石纤维用作柔性纤维状超级电容器正极材料实现金刚石和柔性纤维两者的优异性能。

增加纤维状超级电容器能量密度的另一个手段是构建混合电容器。因为它可将传统超级电容器的储能机制和电池的法拉第过程相结合,从而同时实现高能量密度和高功率密度。基于锌离子混合电容器的高储能、安全和低成本等优势,本文设计了柔性金刚石锌离子混合电容器。该柔性金刚石电容器的高赝电容来自三方面:(1)锌离子电容器在正负极上的混合储能机制;(2)金刚石纤维表面的氧化官能团带来的赝电容;(3)金刚石纤维与电解液中溶解氧发生的氧还原反应在放电过程中提供了额外的电容。

所制备的柔性金刚石纤维是在碳纤维表面均匀覆盖了一层致密的硼掺杂金刚石薄膜。碳化钛中间层的引入显著的提高的生长在碳纤维上金刚石薄膜的质量,同时它也有助于减少电解液和金刚石纤维电极之间电荷转移的阻力。

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该柔性金刚石锌离子混合电容器在709.0 W kg-1的功率密度下拥有70.7 Wh kg-1的能量密度。即便在4395.3 W kg-1的高功率密度下,其能量密度仍然可以保持16.2Wh kg-1。在4395.3 W kg-1的高功率密度下,整个电容器的充放电时间是25.7s。无论是从体积还是质量上计算,该柔性金刚石电容器都展现出了相比其他电池和电容器更高的功率密度和能量密度。在大电流密度10 A g-1的条件下,经过了10 000圈的循环后,其比电容量仍保留89.9%。作为演示,串联两个该柔性金刚石电容器可以供应16盏LED灯持续工作超过70s。值得注意的是正负电极的总质量只有1.6 mg。

该金刚石超级电容器展现出良好的柔性。在30°、60°甚至U弯的弯曲变形下,该器件的电化学性能几乎没有变化。即使经过1000次60°的弯曲实验,比容量只减少了2.43%。

结论

该工作制备的柔性金刚石纤维是一种以碳纤维为核,表面CVD沉积硼掺杂金刚石包裹的核壳结构。得益于碳纤维和硼掺杂金刚石两者的优越的性能,由该材料构建的柔性金刚石电容器展现出了优异的性能,为金刚石在柔性电子器件(如可穿戴电子设备)的应用提供了广阔前景。另外,文章中的制备柔性电极的方法作为普遍适用的策略可为未来柔性电子器件材料的设计和合成提供了一种切实可行的方案。

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Jian, Z., Yang, N., Vogel, M., Leith, S., Schulte, A., Schönherr, H., Jiao, T., Zhang, W., Müller, J., Butz, B.,Jiang, X., Flexible Diamond Fibers for High‐Energy‐Density Zinc‐Ion Supercapacitors.Adv. Energy Mater. 2020, DOI:10.1002/aenm.202002202

作者简介

姜辛教授,德国锡根大学 C4 级终身教授,中国科学院金属研究所特聘研究员,中国科学技术大学博士导师。德国亚琛工业大学自然科学博士,德国布伦瑞克技术大学材料科学博士(Dr. rer. nat. habil.),材料科学家。曾任德国弗朗霍夫表面工程和薄膜技术研究所(FhG-IST)资深科学家(Senior Scientist)、德国锡根大学材料研究所执行所长、锡根大学材料创新中心主任、德国锡根大学机械工程系博士学位委员会主席、沈阳材料科学国家(联合)实验室、功能薄膜与界面研究部主任、物理研究所和硅酸盐研究所客座教授、香港城市大学客座教授、德国科学基金会(DFG)、洪堡基金会(AvH)、及以色列和香港城市大学的科学基金评审专家;中国科学院海外评审专家、大连理工大学长江学者讲座教授。

杨年俊博士,德国锡根大学任高级研究员及纳米课题组组长。毕业于日本国立福井大学,曾先后在美国新墨西哥州立大学、日本国立产业技术综合研究所(AIST)、德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(Fraunhofer-IAF)从事研究工作。近些年在 Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.,Nat. Commun. 等志上发表论文130多篇;出版《NovelAspects of Diamond》、《Carbon Nanoparticles and Nanostructures》等专著4部、系列丛书1部、撰写书章节9次。担任 Small、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces、Carbon 等杂志的客座主编,任 Sci. Rep. 和 Dia. Relat. Mater 等杂志的编委;是欧洲材料年会(E-MRS)分会主席、Hasselt 金刚石研讨会及金刚石及碳材料国际会议的委员会成员;已组织主持召开国际会议数十次。

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