赵邦传课题组在高能量密度柔性超级电容器研究方面取得进展

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近期，中科院合肥研究院固体所功能材料物理与器件研究部赵邦传研究员课题组在高能量密度柔性超级电容器研究方面取得进展。科研人员采用原位生长，结合后氮化处理方法在柔性碳布(CC)上分别生长出高性能的CoN-Ni3N/N-C异质结构纳米片和VN纳米带材料，并组装成高能量密度柔性超级电容器。相关研究成果以“3D Porous Honeycomb-like CoN-Ni3N/N-C Nanosheets Integrated Electrode for High-energy-density Flexible Supercapacitor”为题发表在Advanced Functional Materials 上。

　　图1. CoN-Ni3N/N-C/CC和VN/CC柔性一体化电极制备流程及准固态非对称超级电容器的组装示意图。

　　

　　图2. (a-c) Co-Ni LDH/CC前驱体、(d-f) CoN- Ni3N /N-C/CC电极材料和(g-i)VN/CC电极材料的SEM图。

　　

　　图3. (a) Co- Ni3N /N-C/CC//VN/CC FQAS的组装示意图；不同电压窗口下FQAS的(b) GCD和(c ) CV曲线；不同扫描速率和电流密度下FQAS的( d ) CV和( e ) GCD曲线，(f) FQAS的倍率性能；(g) FQAS在50 mA cm-2下充放电6000次的循环稳定性，(h) FQAS 6000次循环前后的EIS曲线；(i) FQAS装置的Ragone图。

　　近年来，随着生活水平的不断提高，人们对新型柔性可穿戴式电子器件的需求越来越迫切，而柔性可穿戴式电子器件目前面临的最大挑战则是无法找到与之相匹配的轻、薄且柔性的便携型储能器件。因此，开发新型高效的柔性可穿戴储能器件显得尤为重要。柔性超级电容器能够快速地充电/放电，具有成本低、易组装、长寿命、廉价、体积小、效率高、柔韧性好等特点，受到广泛关注。但其发展目前仍面临着大量的基础科学和工艺上的问题，特别是在电极材料上。一方面，为满足电容器高能量密度和使用寿命的要求，电极材料需具有较高的比电容和较优的循环稳定性；另一方面，为适应电容器柔性方面的需求，电极材料还需具有一定的机械强度。
　　基于此，科研人员通过控制相转变、形貌与缺陷调控相结合的策略，在柔性碳布上成功地制备了三维（3D）多孔蜂巢状结构的CoN-Ni3N/N-C纳米片材料。用作超级电容器电极时，其独特的多孔蜂巢状结构和丰富的微介孔，不仅增大了活性材料的比表面积，提供了自由开放的空间和快速的离子扩散通道，还暴露出更多的电化学活性区域，增强材料的电荷存储性能。此外，CoN-Ni3N/N-C材料能够增强CoN-Ni3N/N-C/CC电极的导电性，提供更多的边缘活性位点，进而增强电解质离子的快速扩散和反应动力学。受益于材料的独特结构和多组分间的协同效应， Co- Ni3N /N-C/CC柔性一体化电极表现出优异的性能。在电流密度为0.5 mA cm-2时，其面积比电容可达1.48 F cm-2，10000次循环后容量保持率为93.3%，显现出优异的循环性能。另外，以Co- Ni3N /N-C/CC为正极、VN/CC为负极组装的柔性准固态非对称超级电容器（FQAS）性能同样出色，该器件能量密度最大为106 ，最大功率密度达到40 mW cm-2。
　　这项工作为构建高性能柔性可穿戴储能器件提供了重要的借鉴和参考意义。
　　上述工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金委大科学装置联合基金项目的支持。
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103073。
　　
      文章来源：合肥研究院
      赵邦传，博士、合肥研究院研究员、博士生导师。主要从事储能材料设计与制备研究，在巨磁阻材料和层状氧化物热电材料研究中取得了较为系统的研究成果。目前主持国家自然科学基金面上项目和大科学装置联合基金培育项目各一项，主持完成中科院院长奖获得者科研启动基金、安徽省自然科学基金面上项目及教育部留学回国人员科研启动基金项目各一项。迄今在J. Am. Chem. Soc., J. Phys. Chem. C, Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett等学术期刊上发表SCI论文近100篇，其中第一作者/通讯作者论文32篇。