邸江涛研究员等在高性能柔性储能器件领域取得新进展

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近日，中科院苏州纳米所邸江涛研究员等与佐治亚理工学院Ching-ping Wong教授合作，设计并制备了锌掺杂氧化铜纳米线（Zn-CuO）三维阵列结构，为电化学活性物质MnO2提供导电支架，获得高负载的MnO2纳米片材料。将生长在铜线表面的Zn-CuO@MnO2材料用于同轴非对称纤维型超级电容器正极材料，获得了高的比容量及宽的工作电压窗口。相关成果以“Atomic Modulation 3D Conductive Frameworks Boosts Performance of MnO2 for Coaxial Fiber-Shaped Supercapacitors”为题发表在期刊Nano-Micro Letters，2021, 13, 4。论文第一作者为苏州纳米所助理研究员王晓娜博士，通讯作者为邸江涛研究员、李清文研究员及Ching-ping Wong教授。
　　同轴非对称纤维型器件具有体积小、便携、工作窗口大等优势，被认为在未来柔性可穿戴及微型的电子器件领域具有广阔的应用前景。然而目前，同轴非对称纤维器件仍然存在能量密度低，电极材料及结构设计的局限性等问题限制其进一步应用。二氧化锰由于其高的理论容量、低成本、低毒性和环境友好等特性被认为是优异的电化学活性材料。然而二氧化锰材料低的导电性和易于团聚的问题导致了其有限的比容量和功率密度。
　　为了解决以上问题，中科院苏州纳米所李清文研究员团队与佐治亚理工学院Ching-ping Wong教授团队合作设计并制备了Zn-CuO@MnO2纳米线阵列电极。并使用Zn0.11CuO@MnO2作为核电极（正极），生长在碳纳米管薄膜上的VN纳米线阵列作为负极包覆在核电极表面组装同轴非对称超级电容器。

　　       图1. （A-F）同轴非对称超级电容器制备示意图。(G) 同轴非对称超级电容器截面示意图。
　　Zn-CuO纳米线通过一步法原位生长在铜线表面，为MnO2提供导电支架和沉积基底。Zn掺杂进入CuO晶格提高了CuO的导电性，改进了MnO2纳米片在电化学反应过程中与导电基底之间有效的电子传输。同时，与其他导电支架比较，Zn-CuO纳米线也为复合电极贡献了部分容量。通过掺杂不同含量的Zn，最后获得导电性和比容量最佳的Zn0.11CuO纳米线材料。它能够负载MnO2的质量高达12.4 mg/cm2，使得电极也获得了高的面积比容量（4.26 F/cm2）。

　　      图2. （A-B）CuO, CuO@MnO2, Zn0.11CuO and Zn0.11CuO@MnO2电极电化学充放电曲线及比容量与压降图。（C）MnO2负载量与沉积时间的关系。（D-E）Zn0.11CuO@MnO2电极在不同MnO2负载量时面积和质量比容量的关系。（F）Zn0.11CuO@MnO2电极循环稳定性。
　　这个同轴非对称器件的工作电压能够达到1.8 V，比容量为296.6 mF/cm2，能量密度为133.5 mWh/cm2 （功率密度为0.9 mW/cm2)。值得关注的是，与其他同轴非对称超级电容器比较，本工作中制备的器件的能量密度和功率密度明显优于其他同类器件。为了进一步验证其在可穿戴柔性器件领域的应用，我们也考察了同轴非对称超级电容器在不同弯曲条件下的电化学稳定性。结果显示在不同的弯曲条件下，器件充放电曲线没有明显变化，说明其在外力形变状态下，具有较好的电化学稳定性及循环稳定性。同时这种同轴非对称超级电容器也能点亮一个2V的LED小灯泡并能维持60s。本项工作的发表为纤维型储能器件在柔性可穿戴领域的发展提供了进一步的可能性。  

　　       图3 (A) 同轴非对称超级电容器在不同弯曲状态下的光学图片。 (B) 在1-3弯曲状态下，同轴非对称超级电容器的充放电曲线。 (C) 在90度弯曲状态下，器件的充放电循环测试。(D)同轴非对称超级电容器在便携式可穿戴领域展示出潜在的应用前景。


       文章来源：苏州纳米所
       邸江涛 男，中科院苏州纳米所研究员。1985年生，2013年7月获中国科学院大学物理化学博士学位。2013年8月至2016年5月于美国德克萨斯州大学达拉斯分校任研究助理，导师美国工程院院士Ray H. Baughman教授。2016年6月入职中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，任项目研究员，博士生导师，中国科学院“百人计划”（青年俊才）候选人。多年来一直从事纳米碳材料的可控制备及其应用研究，在碳纳米管有序体可控制备，高性能碳纳米管宏观体干法组装和内部共价键合，纳米碳材料功能器件、驱动器、弹性导体等方向做出重要成果。在Science, Advanced Materials, Small, ACS Nano等国际一流学术期刊上发表论文近20篇。