超級電容器作為一種新型儲能器件，具有高功率密度、快速充放電、長循環(huán)壽命和更好的安全性能等優(yōu)點，在消費電子產(chǎn)品、電動汽車啟停和工業(yè)能源管理系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來，微型、柔性和智能電子產(chǎn)品設(shè)備蓬勃發(fā)展，這就需要構(gòu)筑與之匹配的新型超級電容器(包括微型、柔性電容器和智能電容器等)來滿足其儲能需求。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實驗室閻興斌課題組多年來致力于超級電容器材料與器件的研究。最近，他們構(gòu)筑了一系列高性能新型超級電容器，包括非對稱微型電容器和高溫柔性電容器，并探索了金屬氧化物電極在特定離子液體中的電荷存儲機理;利用形狀記憶合金作為集流體，構(gòu)筑了表帶狀智能超級電容器。

該課題組通過電化學(xué)沉積方法在叉指金電極上制備了以石墨烯量子點為負(fù)極、MnO2為正極的非對稱全固態(tài)微型超級電容器，對比研究了器件在幾種常用離子液體凝膠電解質(zhì)中的電化學(xué)性能，并通過優(yōu)化固態(tài)電解質(zhì)組份實現(xiàn)了器件高的掃速(2000V/s)和小的弛豫時間常數(shù)(τ0=206.9ms)。相關(guān)工作發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (2015, 7, 25378−25389)上。

研究人員以導(dǎo)電炭布作為集流體，利用γ-FeOOH在特定離子液體中具有優(yōu)異的贗電容行為和離子液體凝膠電解質(zhì)本身熱穩(wěn)定性好、不可燃、化學(xué)惰性和寬電壓窗口等特點，構(gòu)筑了多孔炭//γ-FeOOH非對稱全固態(tài)柔性超級電容器。高溫電化學(xué)測試結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度升高到200ºC時，柔性器件體積能量密度可達1.44mWh/cm3;在180ºC彎折測試表明該器件具有穩(wěn)定的電化學(xué)儲能特性，相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (2016, 4, 8316–8327)上。

智能手表和手環(huán)等因為將諸多不同的功能集成在一種產(chǎn)品上，受到了消費者的廣泛關(guān)注。然而，當(dāng)下儲能器件的設(shè)計嚴(yán)重限制了能量供給能力和未來發(fā)展空間。通過提出一種將表帶與儲能器件集成到一體的策略，該課題組設(shè)計并制備了表帶型的智能柔性超級電容器。利用石墨烯涂布的鈦鎳合金片作為負(fù)極，兩步電化學(xué)沉積制備的柔性自支撐MnO2/Ni薄片作為正極，分別使用水系和離子液體凝膠電解質(zhì)作為電解質(zhì)隔膜，組裝得到了固態(tài)柔性超級電容器。靜態(tài)和動態(tài)的彎曲測試都證明了該器件有著優(yōu)異的機械和電化學(xué)穩(wěn)定性。由于使用鈦鎳合金作為集流體，器件還展示了形狀記憶能力。為了展示潛在應(yīng)用性，研究人員還將制備的表帶狀的超電器件與電子表組合在一起。有趣的是，這種智能表帶不僅能夠為手表提供能量，還能保留形狀記憶特性，可以在接觸人體的時候自動的“戴”在手腕上。此外，即便表帶直接接觸皮膚，其優(yōu)異的生物相容性也不會對身體造成傷害。相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600763)上。

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、蘭州化物所“一三五”重點培育項目的資助和支持。

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