蘇州納米所等在3D打印碳瓦片調(diào)控互穿多級(jí)孔贗電容電極研究方面獲進(jìn)展
贗電容對(duì)于超級(jí)電容器能量密度的提升具有很大的前景。獲得高性能儲(chǔ)能的關(guān)鍵在于構(gòu)建具有很好相互連通的開孔結(jié)構(gòu)贗電容電極。然而,如何實(shí)現(xiàn)贗電容電極結(jié)構(gòu)的一致性規(guī)?;瘶?gòu)筑以及高活性材料負(fù)載下的快速離子/電子傳輸,仍然具有較大的挑戰(zhàn)。
近日,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所李清文研究員、張永毅研究員,河南理工大學(xué)楊政鵬教授提出以木棉衍生的薄壁、高微孔率、高比面積、豐富雜原子摻雜、適當(dāng)彎曲的準(zhǔn)二維碳瓦片(CT)作為獨(dú)特的骨架支撐,通過墨水3D打印策略制備出了一種新型CT-單壁碳納米管(SWNT)-NiCo2O4贗電容電極。3D打印的電極結(jié)構(gòu)中,CTs和SWNTs耦合形成了大量相互連接的多級(jí)孔和連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了活性材料NiCo2O4的均勻和高質(zhì)量負(fù)載,同時(shí)確保了暢通無阻的離子擴(kuò)散通道和充足的電子傳輸路徑。得益于電極結(jié)構(gòu)的獨(dú)特特點(diǎn),組裝的非對(duì)稱超級(jí)電容器具有高比電容和能量密度以及突出的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。值得注意的是,即使在電極厚度較高時(shí),器件仍然能表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能性能。這項(xiàng)工作為構(gòu)建具有高容量和高功率密度的贗電容電極結(jié)構(gòu)提供了新策略。
圖1. CT-SWNT-NiCo2O4贗電容電極的制備過程示意圖
圖2. CT-SWNT-CMC墨水的制備流程、流變特性和可打印性
圖3. CT-SWNT-NiCo2O4贗電容電極的結(jié)構(gòu)和成分分析
圖4. 不同NiCo2O4載量的電極電化學(xué)和形貌表征
圖5. 組裝的非對(duì)稱超級(jí)電容器的電化學(xué)性能
圖6.大厚度器件的電化學(xué)性能、穩(wěn)定性及儲(chǔ)能機(jī)理
相關(guān)成果以3D printing of carbon tile-modulated well-interconnected hierarchically porous pseudocapacitive electrode為題發(fā)表在國(guó)際期刊Energy Storage Materials上。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金(51862035, 52062048)等項(xiàng)目的資助。河南理工大學(xué)楊政鵬、楊新銀和楊婷婷為論文共同一作,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所李清文研究員和張永毅研究員為論文通訊作者。此外,團(tuán)隊(duì)以多孔木棉碳瓦片為電極組裝單元,層層組裝了致密且具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的薄膜電極,并用于高倍率的鋅離子電池和超級(jí)電容器;通過3D打印技術(shù)可控構(gòu)筑了柔性碳基相變無紡布、核鞘結(jié)構(gòu)贗電容電極和相變儲(chǔ)能微格,驗(yàn)證了其在儲(chǔ)能、多功能織物等領(lǐng)域的應(yīng)用,相關(guān)工作發(fā)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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