我系在“材料分形结构应用于电化学柔性储能”方面取得新进展
发布时间:2018-10-11 

      近年来,可穿戴电子器件以其轻质柔韧、可弯曲折叠、智能高效等优点,引起了工业界和科技工作者的广泛兴趣。这其中,柔性电化学电容器通过离子吸附或氧化还原反应来储存能量,可以安全快速地充放电,在为柔性穿戴电子设备提供储能方面最具有潜力。然而,目前柔性可穿戴超级电容器的开发还面临着一些科学技术问题:其能量密度距离实际应用仍然偏低;在器件构筑时需要使用粘结剂将活性物质与集流体结合,粘结剂在弯折的过程中容易开裂导致无法柔性化。近日,我系胡林峰副教授团队《具有高活性((01 ̅1)表面的 (NixCo1-x)9Se8树枝状分形结构及其柔性全固态超级电容器应用》(Fractal (NixCo1-x)9Se8 nanodendrite arrays with highly exposed ( 01 ̅1) surface for wearable, all-solid-state supercapacitor)为题发表于材料学领域权威期刊《先进能源材料》(Advanced Energy Materials, 2018, 1801392, 1-10), 并刊登为外封面论文。

     

      分形是具有以非整数维形式充填空间的形态特征,通常具有最大的暴露表面,如果能够设计出这类结构应用于电化学储能,将可以显著提高“活性物质/电解质”界面处的离子扩散速率和电化学活性位点数量,从而获得高的能量密度。基于以上设想,针对具有高赝电容活性的NiCoSe三元材料,通过溶剂热的设计合成和衬底表面“异向形核、取向聚集”机制,在柔性碳布表面生长出具有分形特征的(NixCo1-x)9Se8树枝状致密纳米阵列。通过Ni元素的可控掺杂与成分优化,获得了5 A g-1倍率下 3762 F g-1 的比电容量,循环5000次之后仍然能够保持树枝状分析形貌和94.8%的电容量。在此基础上,分别利用在碳布上原位生长的(NixCo1-x)9Se8树枝状致密纳米阵列为正极、石墨烯为负极,组装了非对称的全固态超级电容器,窗口电压为1.5 V, 分别获得了高达17.0 Wh kg-1 的能量密度和3.1 kW kg-1的功率密度,达到了这类NiCoSe三元材料的目前最佳性能。为了展示潜在应用性,将串联后的固态电容器制成手环型的柔性器件并成功为LED充电。手环型超级电容器可以戴在手腕上,即便拉伸、扭转和折叠,也不会对于储能性能有影响和对身体造成伤害。

             以上工作以《具有高活性((01 ̅1)表面的 (NixCo1-x)9Se8树枝状分形结构及其柔性全固态超级电容器应用》(Fractal (NixCo1-x)9Se8 nanodendrite arrays with highly exposed (01 ̅1 ) surface for wearable, all-solid-state supercapacitor)为题发表于材料学领域权威期刊《先进能源材料》(Advanced Energy Materials, 2018, 1801392, 1-10), 并刊登为外封面论文。该文章的第一作者为我系硕士研究生杨佩瑜,胡林峰副教授为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金(51372040,51701042)、上海市青年科技启明星计划(16QA1400700)等的资助。

 

     

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