北理工課題組在超高能量密度微型超級電容器方面取得進展
發(fā)布日期：2024-01-11 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士生白聰聰?shù)谝蛔髡呱矸菰趪H頂級期刊《ACS Energy Letters》（IF: 22）發(fā)表題目為“A 4 V Planar Li-ion Micro-Supercapacitor with Ultrahigh Energy Density”的研究論文（DOI：10.1021/acsenergylett.3c02406）。北京理工大學(xué)為論文第一通訊單位,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙揚特別研究員和陳瑞博士后為共同通訊作者,。
便攜式智能電子產(chǎn)品的快速發(fā)展刺激了對柔性、輕量化,、小型化儲能設(shè)備日益增長的需求,。其中混合離子微型超級電容器(HIMCs)是微電子領(lǐng)域中一種極具發(fā)展前景的電源，它由一個進行氧化反應(yīng)的電池型電極和一個通過離子積累/分離儲存電荷的電容器型電極組成,，有望在不犧牲功率密度的情況下實現(xiàn)電壓窗口的拓寬和能量密度的提高,。然而，目前所報道的鋰離子微型超級電容器（LIMCs）和其他HIMCs的能量輸出仍然不足以滿足具有高能量閾值的電子系統(tǒng)實際應(yīng)用的要求,。這往往是由于電池型電極材料首次充放電不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng)消耗的金屬離子無法得到補償,，而導(dǎo)致庫倫效率較低，降低了能量密度,。預(yù)金屬化可有效補充額外所需的金屬離子,，同時形成穩(wěn)定的SEI薄膜，提升其動力學(xué)性能,。但目前微型電極的預(yù)金屬化仍然是一個挑戰(zhàn),，因為缺乏既可以滿足電極材料的工程兼容性，又有助于實現(xiàn)微電極的金屬化過程的高效加工策略,。開發(fā)動力學(xué)匹配的電極材料以及簡單,、高效的微加工技術(shù)對于高性能HIMCs的發(fā)展至關(guān)重要。
基于以上背景,，研究者們采用激光輔助策略發(fā)展出了一種由原位預(yù)鋰化法拉第負極和高孔隙率非法拉第正極組成的平面LIMC,。得益于正極表面快速的離子吸脫附過程和負極表面的多電子氧化還原反應(yīng),，LIMC具有4 V的寬工作電位窗口和135.4 mF/cm2（150.4 μAh/cm2）的高面電容。其能量密度可達301 μWh/cm2 (256 mWh/cm3),，高于之前報道的大多數(shù)金屬離子微型超級電容器,。充電15分鐘后，單個微器件可以驅(qū)動電子手表（～5.2 μW）超過2小時,。本工作所展示的加工方法的工程兼容性以及材料和電極構(gòu)建的完整性可為未來高能量輸出的微電子器件提供選擇,。
圖1. 非對稱LIMC的制備流程示意圖及器件展示
微器件的平面叉指電極的激光加工制造示意圖如圖1所示，通過激光加工技術(shù)可以很好的實現(xiàn)器件的圖案化和微型化,。所制備的單個儲能器件面積僅為0.1251 cm2,。同時激光切割和組裝策略可以在PET柔性基底表面實現(xiàn)集成，在滿足需要不同電壓閾值的各種電子設(shè)備的需求方面具有巨大的潛力,。得益于其良好的柔韌性,，即使在扭轉(zhuǎn)、彎曲狀態(tài)下也能保持其完整性,。
圖2 LIMC微電極形貌表征
本工作采用CoMoO4/RGO和竹源活性炭BAC分別作為電池型和電容型電極,。由于激光的高精度，LIMC單個手指寬度和電極間隙僅為340 μm和280 μm,。掃描電鏡圖像及mapping,、透射電鏡圖像證明了非對稱微電極的成功構(gòu)筑。
圖3 CoMoO4/RGO電極材料的物性表征
XRD,、Raman和XPS等表征證明了CoMoO4/RGO電池型電極材料的成功復(fù)合,。
圖4 半電池的電化學(xué)性能
在半電池中，一系列的動力學(xué)過程實驗表征表明,，CoMoO4/RGO的電化學(xué)過程主要為表面誘導(dǎo)的贗電容行為,，表現(xiàn)出669.2 mF/cm2 (371.8 μAh/cm2)的高面積比電容。而BAC則表現(xiàn)為雙電層電容行為,。與商用活性炭AC相比,，BAC具有更高的面積比容和優(yōu)異的倍率性能。在0.1 mA/cm2的電流密度下,，其面積比容量為286.2 mF/cm2,；當(dāng)電流密度提升至0.7mA/cm2時，仍可保持243.92 mF/cm2的面積容量,。這是由于其具有更多的孔隙結(jié)構(gòu),，從而具有更大的比表面積，更小的電荷轉(zhuǎn)移電阻和更好的鋰離子擴散能力,。
圖5 LIMC的電化學(xué)性能及應(yīng)用展示
得益于預(yù)鋰化CoMoO4/RGO負極快速的反應(yīng)動力學(xué)能力,，以及BAC正極的多孔結(jié)構(gòu)，兩者相匹配的鋰離子微型電容器具有優(yōu)異的面積電容和能量密度,。單個微型器件即可驅(qū)動各種具有不同電壓閾值的電子設(shè)備,，如充電15 min可以為手表供電2 h,。
綜上，本工作提出了一種制備具有高電壓窗口的鋰離子型微型電容器的有效策略,?；诩す馇懈詈徒M裝，采用預(yù)鋰化后具有快速反應(yīng)動力學(xué)的CoMoO4/RGO作負極,，具有高比表面積的BAC（3276 m2/g）作為正極,，制備了具有4V高工作電壓的新型LIMC。所制備的LIMC在0.1 mA/cm2的電流密度下具有135.4 mF/cm2（150.4 μAh/cm2）的高面電容,，面積能量密度可達301 μWh/cm2,，優(yōu)于大多數(shù)微型金屬離子混合電容器。該LIMC可以驅(qū)動手表,、筆筒,、電子賀卡等各種不同電壓閾值的電子產(chǎn)品，證明了該器件的功能性和該策略的有效性,。LIMC具有優(yōu)異的可逆電容和高能量密度,，有望成為新一代微機電系統(tǒng)的微能源裝置。這項工作不僅拓寬了開發(fā)高性能微型電容器的新思路,，還揭示了微型混合電容器作為高能量輸出儲能器件的潛力,。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金等項目的資助,。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02406
分享到：