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双极自支撑!大比容水系锌离子电容器 精选

已有 2655 次阅读 2019-10-24 16:30 |系统分类:论文交流| MXene, ZIC阴极, 二氧化锰-碳纳米管, 储能设备, 电容器

A New FreeStanding Aqueous ZincIon Capacitor Based on MnO2CNTs Cathode and MXene Anode

Siliang Wang, Qiang Wang, Wei Zeng*, Min Wang, LiminRuan, Yanan Ma*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 70
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0301-1
本文亮点
1 通过在水系电解质中组装自支撑的二氧化锰-碳纳米管(MnO2-CNTs)电池型阴极和MXene(Ti3C2Tx)电容器型阳极,得到了新型锌离子电容器(ZIC)。

2 MXene阳极具有大比电容,避免了ZIC阴极和阳极之间的电容失配问题

3 本文所提出的ZIC的性能卓越,使其成为下一代储能设备有潜力的候选者。

内容简介

安徽大学王思亮与曾玮课题组和湖北汽车工业学院马亚楠课题组,研制出基于MnO2-CNTs阴极和MXene阳极的新型自支撑水系ZIC。
水系ZIC的阴极和阳极采用自支撑电极(真空抽滤和剥离获得),不需要导电粘结剂,减小了器件额外质量和体积;利用比电容较大的MXene自支撑膜充当电容型阳极,有效的避免了ZIC阴极和阳极的电容失配问题;采用ZnSO4-MnSO4水系电解质,器件的安全性得以保障,同时MnSO4抑制了阴极中MnO2的溶解,器件的寿命得以大幅度提升。
水系ZIC表现出优异的电化学性能(基于阴极和阳极的总重量),例如高比电容115.1 F/g(1 mV/s),高能量密度98.6 Wh/kg(77.5 W/kg),高功率密度2480.6 W/kg(29.7 Wh/kg),高电容保持率83.6%(15,000次循环)。
即使在水系凝胶电解质中,ZIC也表现出优异的电化学性能和柔性。这项工作为设计高性能储能设备提供了有效的方法。
研究背景

受能源存储机制的限制,当前的能源存储装置具有一些缺点,例如电池的低功率密度和超级电容器的低能量密度。尽管,最近的离子电容器,例如锂和钠离子电容器,可以实现高能量和高功率密度。但是,大多数锂或钠离子电容器采用有机电解质,容易造成严重的安全事故;在有机电解质体系中,由于正负电极动力学与电容的失配,因此很难获得高性能的储能器件;受电池型电极本征特性限制,这些锂或钠离子电容器循环寿命不长;少数基于水系电解质的锂和钠离子电容器,其能量密度往往不高。因此有必要开发高能量密度、高安全性和长寿命的新型水系离子电容器。

图文导读

MnO2-CNTs电池型阴极和MXene电容器型阳极
采用真空抽滤和剥离的方法实现了自支撑的MnO2-CNTs电池型阴极和MXene电容器型阳极,如图1所示。利用电池型和电容型的储能机理,可以实现能量密度和功率密度均高的目标。

图1 MnO2-CNTs阴极和MXene阳极的表征。MnO2的(a)SEM图,(b)TEM图,(c)XRD图谱;MXene的(d)SEM图,(e)元素面扫描图,(f)XRD图谱;(g)MnO2-CNTs阴极表面和截面(插图),(h)MXene阳极表面和截面(插图)和(i)MnO2-CNTs阴极和MXene阳极实物图。

ZIC在水系液态电解质中的电化学性能

ZIC在水系液态电解质中表现出优异的电化学性能。例如,高比电容115.1 F/g(1 mV/s),高能量密度98.6 Wh/kg(77.5W/kg),高功率密度2480.6 W/kg(29.7Wh/kg)和高电容保持率83.6%(15,000次循环)。

图2 ZIC在水系液态电解质中的电化学性能。(a, b) CV曲线,(c) GCD曲线,(d)比电容与扫速关系,(e) 能量密度和功率密度,(f) 奈奎斯特图(插图是拟合电路图),(g) 初始和最后十个循环的GCD曲线和 (h) 循环寿命和库仑效率。

ZIC在水系凝胶电解质中的电化学性能和柔韧性

在水系凝胶电解质体系下,ZIC依然表现出优良的电化学性能和柔性。例如,在1mV/s的扫描速率下,ZIC比电容高达97.3 F/g; ZIC的能量和功率密度分别高达67.8 Wh/kg(59.9W/kg)和1085.3 W/kg(12.4Wh/kg); 在弯曲角度从0°到120°过程中,器件CV和GCD曲线几乎没有变化,奈奎斯特图几乎相同。

图3 ZIC在水系凝胶电解质中的电化学性能和柔性。(a,b) CV曲线,(c) GCD曲线,(d) 能量功率和功率密度(插图显示LED由单个ZIC驱动),(e) 单个ZIC(A,B)和串并联连接ZICs的GCD曲线,(f) ZIC柔性示意图;0-120°弯曲角度下 (g) CV曲线(10 mV/s),(h) GCD曲线(0.415 A/g)和 (i) 奈奎斯特曲线。

作者简介


王思亮

电子信息工程学院副教授,硕士生导师

主要研究领域

研究方向为柔性储能器件(超级电容器、锌离子电池)、应力传感器和光探测器。

主要研究成果

近年来,以第一作者、通讯作者或主要作者身份在ACS Nano、Advanced Energy Materials、Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A、Advanced Electronic Materials、ACS Applied Materials & Interfaces等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇,其中入选ESI高被引论文一篇。主持和参与国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和安徽大学高层次人才引进基金。

Email: sliang_wang@163.com

曾玮

本文通讯作者)

电子信息工程学院副教授,硕士生导师

主要研究领域

研究方向为储能器件(超级电容器)及传感器(压力、电磁场传感器)。

主要研究成果

近年来,以第一作者、通讯作者或主要作者身份在ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Power Sources、Advanced Electronic Materials等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇。主持或参与国家自然科学基金、安徽省自然科学基金等项目。

Email: youfmail@163.com


马亚楠

本文通讯作者)

湖北汽车工业学院副教授,硕士生导师

主要研究领域

主要研究功能纳米材料的可控制备、性能调控及其在压敏传感器和能源储存等相关领域的应用研究。

主要研究成果

近年来,以第一作者或主要作者身份在Nature Communications、ACS Nano、Advanced Electronic Materials、Sensorand Actuators B、Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces等知名国际学术期刊上发表SCI论文20余篇,其中入选ESI高被引论文一篇。主持国家自然科学基金、湖北省自然科学基金以及湖北省重点实验室开放项目一项(汽车传动与电子控制)各一项,并参与多项国家基金面上项目。

Email: mayn@huat.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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1 黄永义

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