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gao1986

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[交流] 源于“冰冻湖”的灵感——一种柔性电容储能器件的设计已有6人参与

在低维材料上面看到一篇文章，跟大家分享一下！
随着移动电子设备的迅速增殖，人们对于超轻、柔性和高效率储能器件的需求也随之逐渐攀升。超级电容器作为一种重要的储能器件，自20世纪后期以来受到持续的关注。通常来说，超级电容器主要有两种材料体系，一种基于碳材料，另一种则基于过渡金属氧化物。其中，前者具备较高的功率密度，而后者往往具有较高的能量密度。为了实现高效率储能，人们开发出了一种混合式超级电容器，该器件分别采用碳材料与过渡金属氧化物作为两极材料，从而能兼顾功率密度和能量密度。而通过引入固态电解质，可以制成柔性电容器件。

Scheme 1. Illustration of the preparation ofrGO-wrapped nanocomposites.

受亚伯拉罕湖底可燃冰气泡的启发，复旦大学的Ma Xiaohua的研究团队提出了一种新的材料设计方法。他们首先将还原氧化石墨烯(rGO)与掺铁二氧化锰(MFO)颗粒复合获得了气凝胶，然后将其浸入双氧水溶液中，利用二氧化锰对双氧水的催化分解作用，向体系中引入气泡，进而通过冷冻干燥，利用还原氧化石墨烯与掺铁二氧化锰颗粒之间的空隙与外界冰晶之间的压力差，最终获取了还原氧化石墨烯紧密包覆的掺铁二氧化锰的复合材料，该材料被用作他们所设计的非对称电容器的负极材料。这种制备方法过程中引入气泡的步骤非常关键，未引入气泡的对照组在冷冻干燥之后获取复合材料中，掺铁二氧化锰颗粒仅能够随即的分布在还原氧化石墨烯所提供的基底中，而不能够形成上述的包覆结构，而这种包覆结构对于电极材料整体的导电性进而促进材料的电容发挥而言非常有利。通过类似的方法作者也获取还原氧化石墨烯紧密包覆的层次孔碳(HPC)复合材料。

Figure 1. TypicalFESEM images of (a) MFO nanoparticles (inset: magnified SEMimages of MFO). b–d)G-MFO composite. e) TEM images of G-MFOcomposite (inset: magnified TEM image ofG-MFO). f) The elemental mapping images of C, O, Mn, and Fe.

而后，作者们将这两种复合材料分别作为非对称电容器(ASC)的正负极材料测试了体系的电容性能。在构建电容器时，作者们通过光聚合方式合成了一种高分子凝胶电解质(GPE)，并且在合成过程中引入了上述的层次孔碳材料来改善电解质的离子导通性能。最终整个电容器体系发挥出了较为优异的能量特性，在外部变形的状态下，也能够实现长循环过程中较高的稳定性（8000圈，保持率91.6%）。值得一提的是，该电解质在高温下性能优异，在80摄氏度下仍能稳定工作，而在此温度下，如今普遍采用的PVA-KOH凝胶电解质会产生明显的电解液泄露甚至熔化现象。该工作在材料的设计和制备上具有较高的参考价值。

Figure 2. a)Schematic illustration of the structure of our ASC device. The digital imagesshow its flexibility and the cross-sectional SEM image presentsthe intimatecontact between electrodes and electrolyte. b) CV curves collected in variouspotential windows at 100 mV s−1. c) GCD curves at variouscurrent densities. d)Specific capacitance of the ASC assembled with plain GPE and HPC-doped GPE as afunction of current density. e) Cycling stabilityof the ASC at a currentdensity of 2 A g−1, inset shows the GCD curves for the last ten cycles and thedevice testing in the flat state.

相关研究成果最近刊登在知名刊物
Advanced EnergyMaterials
(DOI: 10.1002/aenm.201600813)上。

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