纖維狀柔性超級電容器是一種新興的一維儲能器件。因其具有重量輕、體積小且具有很好的柔韌性和拉伸性,纖維狀柔性超級電容器很適合用來驅動便攜式微電機設備和可穿戴電子系統。與傳統超級電容器類似,纖維狀超級電容器按儲能機理可分為雙電層電容器和法拉第贗電容器兩類。贗電容活性物質的理論能量密度值通常是雙電層活性物質的數倍乃至數百倍,因而贗電容器有望作為高能量密度的儲能器件。然而,金屬氧化物等贗電容活性材料具有導電性差和機械強度低等缺點,導致其功率密度低和循環使用壽命短,從而限制了贗電容器的實際應用。如何在不損失功率密度和使用壽命的前提下提高能量密度成為了當前全球范圍內備受關注的重要課題。
最近在《通訊-化學》上發表的一項研究“Carbon nanotubes and manganese oxide hybrid nanostructures as high performance fiber supercapacitors”,由東京大學、北京科技大學、麻省理工學院等科研機構共同完成,采用電化學沉積法將納米結構的二氧化錳(MnO2)生長到相互連接的碳納米管(CNT)網絡內部,制備了一種以金屬鎳(Ni)纖維作為集電體的高性能多孔纖維狀同軸電極(Ni/CNT/MnO2)。
二氧化錳長期以來一直作為制備贗電容超級電容器的活性材料,但其導電性差和機械強度低是其明顯缺點。該課題組采用電化學方法將納米結構的二氧化錳生長到相互連接的碳納米管網絡中,可以顯著提升二氧化錳納米結構的整體導電性和機械強度。在這些CNT/MnO2復合納米結構中,CNT就像毛細血管將血液輸送給組織細胞那樣將電子傳送給MnO2,從而可以實現快速充放電過程中的電子轉移,并且其性能不受涂層厚度的限制。因而,CNT/MnO2復合納米結構活性殼層的厚度可以達到大約150 μm,而Ni/CNT/MnO2電極的比容量可以達到231 mF cm-1。相比其他方法制備的纖維狀電極,該Ni/CNT/MnO2電極在性能上實現了巨大飛躍。以Ni/CNT/MnO2同軸電極組裝的對稱型超級電容器的能量密度可以達到10.97 μWh cm-1,僅3厘米長的該器件就可以點亮LED燈。這種制備方法同樣可以拓展到其他CNT基的贗電容材料當中,比如CNT/TiO2、CNT/RuO2、CNT/PbO2、CNT/Ni(OH)2、CNT/Co(OH)2等。這些優秀的性能預示著這種新型復合纖維超級電容器作為可穿戴能量儲存設備具有巨大應用潛力,為新型可穿戴儲能設備打開了一扇全新的大門。
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