2018年9月30日
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唐少春教授、孟祥康教授团队研发出高面能量密度的固态超级电容器件

近日,威尼斯人棋牌现代工程与应用科学学院唐少春教授、孟祥康教授团队制备出一系列双金属磷化物NixCo3-xPy电极材料,性能优化得到最佳的NiCoP-CoP(x =1,y =2),其比电容和循环稳定性均优于同期报道的NiCo硫化物和磷化物。通过将该电极材料组装的4个全固态超级电容器叠加,获得了高输出电压(7.2 V)和超高面能量密度(639 mWh cm-2,功率密度48 Wcm-2)的微型器件;尤其是,输出电压随叠加层数呈线性递增,为便携式电子产品不同的电压需求提供了新解决方案。该工作以“Rich-Mixed-Valence NixCo3-xPy Porous Nanowires Inter-Welded Junction-Free 3D Network Architectures for Ultrahigh Areal Energy Density Supercapacitors”为题发表在Advanced Functional Materials上(Adv. Funct. Mater. 2018, 1804620,DOI: 10.1002/adfm.201804620)。威尼斯人棋牌为该研究工作的唯一通讯单位,唐少春教授、孟祥康教授为通讯作者,论文第一作者是现代工学院2016级硕士研究生宋伟杰。

超级电容器拥有比传统电容器高的能量密度和比电池高的功率密度,在混合电动汽车,便携式电子产品和太阳能发电等领域具有广泛应用前景。然而,一方面,尽管通过设计非对称型结构能拓宽器件的工作电压,但是与其它电化学储能器件(锂电、燃料电池)一样,材料的过氧化和过还原限制了单个超级电容器的电压不能超过3.5 V;另一方面,相对较低的能量密度仍是制约其广泛应用的瓶颈。

图1.(a-c)分别为超长径比的纳米线、高宽厚比的无孔薄片和NixCo3-xPy微孔纳米线编织的正六边形微米片在液体中悬浮;(b-f)这三种纳米结构嵌入固态PTFE薄膜的分散情况,箭头表示离子的传输路径;(g-h)分别为前两种发生团聚堆叠现象的SEM图;(i)微孔纳米线相互连接的不同方式及连接处的横截面(右)。

针对以上问题,基于过渡金属磷化物高电化学活性和接近金属电导率的特性,本工作首先设计并制备了NixCo3-xPy微孔纳米线编织成的正六边形微米片电极材料。具有超长径比的纳米线、高宽厚比的无孔薄片和NixCo3-xPy微米片可分散于液相电解液中(图1a-c),当它们在PTFE粘结剂形成的固态膜电极中时,相互间较强的范德华力使单体发生明显的团聚和堆叠(如图1g-h所示);离子往往需要经过很长的路径才能穿越每一层。相比之下,我们得到的新结构内部孔隙为相邻微米片之间的离子传输提供了捷径,大大加快了离子在整个电极内的传输(图1f所示)。组分间高效协同、多价态导致空位缺陷的存在、以及表面高数密度纳米孔和纳米线相互“熔合”或“焊接”构成的交叉点(图1i)大大增加了离子可到达的界面活性位点;稳定的三维网状结构能有效缓解长期充放电过程中材料的体积溶胀。优化的NiCoP-CoP材料在1 A g-1电流密度下电容值达到1969 F g-1,充放电10,000次后电容保持率仍高达96%。

图2.(a)非对称全固态器件的串联设计示意图;(b)不同叠加层数器件的CV曲线;(c)不同叠加层数器件的GCD曲线;(d)3个串联器件给LED灯牌供电。

为满足小体积应用的前提下实现高输出电压和高能量密度,我们将正负极面对面贴在一起,PVA/KOH固体薄膜作为电解质,组装示意图如2a所示。将固态超级电容器串联快速充电30秒后能够较长时间为可穿戴迎宾灯牌(额定电压3.7 V)进行供电(图2b),表明了其实际应用的潜力。图2b为不同叠加层数器件的CV曲线,随着层数的递增,曲线的形状并没有明显变化,电压窗口逐渐扩大;曲线包围的面积几乎相同,表明串联叠加结构遵循串联电容的原则,满足方程 (其中Ci为单个超级电容器的容量)。图2c为不同叠加层数器件的GCD曲线,可以看到,输出电压与叠加层数呈线性增长关系。由4个超级电容器叠加而成的微型器件(面积不变),输出电压达到了7.2 V,面能量密度高达639 mWh cm-2 (功率密度为48 Wcm-2)。这一结果表明,该设计能够满足微型电子产品不同额定电压的需求,为获得高输出电压和面能量密度提供了新途径。

该研究工作得到了固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心等平台与项目的支持,同时得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省六大人才高峰、中央高校基本科研业务费专项基金、江苏省优势学科等项目的支持。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

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