来源:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 发布时间:2022/11/5 9:22:26
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苏州纳米所等在3D打印碳瓦片调控互穿多级孔赝电容电极研究方面获进展

 

赝电容对于超级电容器能量密度的提升具有很大的前景。获得高性能储能的关键在于构建具有很好相互连通的开孔结构赝电容电极。然而,如何实现赝电容电极结构的一致性规模化构筑以及高活性材料负载下的快速离子/电子传输,仍然具有较大的挑战。

近日,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文研究员、张永毅研究员,河南理工大学杨政鹏教授提出以木棉衍生的薄壁、高微孔率、高比面积、丰富杂原子掺杂、适当弯曲的准二维碳瓦片(CT)作为独特的骨架支撑,通过墨水3D打印策略制备出了一种新型CT-单壁碳纳米管(SWNT)-NiCo2O4赝电容电极。3D打印的电极结构中,CTs和SWNTs耦合形成了大量相互连接的多级孔和连续导电网络,实现了活性材料NiCo2O4的均匀和高质量负载,同时确保了畅通无阻的离子扩散通道和充足的电子传输路径。得益于电极结构的独特特点,组装的非对称超级电容器具有高比电容和能量密度以及突出的长期循环稳定性。值得注意的是,即使在电极厚度较高时,器件仍然能表现出优异的电化学储能性能。这项工作为构建具有高容量和高功率密度的赝电容电极结构提供了新策略。

图1. CT-SWNT-NiCo2O4赝电容电极的制备过程示意图

图2. CT-SWNT-CMC墨水的制备流程、流变特性和可打印性

图3. CT-SWNT-NiCo2O4赝电容电极的结构和成分分析

图4. 不同NiCo2O4载量的电极电化学和形貌表征

图5. 组装的非对称超级电容器的电化学性能

图6.大厚度器件的电化学性能、稳定性及储能机理

相关成果以3D printing of carbon tile-modulated well-interconnected hierarchically porous pseudocapacitive electrode为题发表在国际期刊Energy Storage Materials上。该研究获得国家自然科学基金(51862035, 52062048)等项目的资助。河南理工大学杨政鹏、杨新银和杨婷婷为论文共同一作,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文研究员和张永毅研究员为论文通讯作者。此外,团队以多孔木棉碳瓦片为电极组装单元,层层组装了致密且具有分级多孔结构的薄膜电极,并用于高倍率的锌离子电池和超级电容器;通过3D打印技术可控构筑了柔性碳基相变无纺布、核鞘结构赝电容电极和相变储能微格,验证了其在储能、多功能织物等领域的应用,相关工作发表在ESM、Small、CEJ、AMI、JPS等期刊上(Energy Storage Materials, 2022, 49, 102-110; Small 2021, 17, 2101093; Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 133241; Chemical Engineering Journal, 2021, 423, 130304; ACS Applied Materials & Interfaces 2022, 14, 7283-7291; Journal of Power Sources, 2022, 525, 231148)。

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