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顶刊《AEM》:一台特殊的拉伸机!

2021-02-24  材料科学网
目前,世界上的共识是希望通过灵活电源去替代传统的刚性电源从而实现供电。由于柔性/可伸展电子在日常生活中的普及,关于能量存储系统的最新研究趋向于制造柔性尤其是可拉伸的能量存储设备。可伸缩超级电容器(SSC)是健康监测电子设备、可穿戴电子设备、能量收集单元和生物集成可穿戴系统中最需要的电源之一。研究人员仍在努力制造由双层负电极和法拉第正电极组成的实用可拉伸不对称超级电容器(SASC),该超级电容器可提供高能量密度、长寿命和比较宽的电位窗口。
 
为了实现实际应用中的可靠性,储能设备中的大型可逆双轴(xy)拉伸现在已成为可拉伸电子器件的迫切要求。近日,韩国全北国立大学Hak Yong Kim报道了一台独特的拉伸机,用于在不降低性能的情况下对高性能超级电容器器件进行xy双向拉伸。相关论文以题为“Biaxial Stretchability in High-Performance, All-Solid-State Supercapacitor with a Double-Layer Anode and a Faradic Cathode Based on Graphitic-2200 Knitted Carbon Fiber”发表在Adv Energy Mater。

论文链接:
https://doi.org/10.1002/aenm.202002961


将石墨2200针织碳纤维(MOF-ZNCO @ g-KCF)上的三金属有机骨架(MOF)衍生的三元金属氧化物装载到钻孔的针织碳纤维上的活性炭(AC @ g-KCF-d)和 基于聚乙烯醇、聚环氧乙烷和氢氧化钾(PVA / PEO /KOH)的水凝胶聚合物flm分别用作法拉第阴极、双层阳极和电解质,用以集成双轴可拉伸不对称超级电容器(  BSASC)设备。制作的MOF-ZNCO @ g-KCF // AC @ g-KCF-d BSASC在不同的xy拉伸条件下,即使经过反复变形也能保持出色的性能一致性。值得注意的是,在经过1万次恒电流充放电循环后,在xy双轴拉伸条件下的BSASC保持在93.7%,并且在相同拉伸尺寸下连续100次拉伸-松弛循环后,它仍然保持92.48%的容量,表明机械性能优异和电化学稳定性。xy拉伸位置的出色性能一致性证明,BSASC是迄今为止报道的可拉伸超级电容器中性能最好之一。
 

图1. a,b)在不同放大倍数下在g-KCF衬底上生长的ZNCO纳米毛的SEM图像,c)转换为三金属MOF的ZNCO纳米毛的FE-SEM图像(红色圆圈表示未转化的ZNCO纳米毛),d)FE- MOF-ZNCO纳米毛的SEM图像,e)MOF-ZNCO纳米毛的TEM图像,f)MOF-ZNCO纳米毛的HR-TEM图像,g–j)MOF-ZNCO纳米毛的元素图谱,以及k)MOF的EDX谱 -ZNCO纳米毛(插图显示了不同元素的重量百分比),l,m)NiOOH @ g-KCF的SEM图像,n)Ni @ g-KCF的SEM图像,o)g-KCF-d的SEM图像,p)g-KCF-d的TEM图像(插图:元素映射),q)g-KCF-d的HR-TEM图像(插图:SAED图案),(n1)n的EDX谱图(插入:SAED图案)  q))和(o1)o)的EDX光谱。
 

图2.a,b)XRD,c,d)拉曼,e,g)从BET分析获得的氮吸附-解吸等温线,以及f,h)从BJH分析获得的不同孔径样品的分布(PSD)曲线。
 

图3.a)MOF-ZNCO @ g-KCF正极的低分辨率XPS光谱,以及b)Co 2p,c)Ni 2p,d)Zn 2p的高分辨率XPS光谱以相同的FWHM值解的卷积。
 

图4. a)g-KCF的应力-应变曲线,b)MOF-ZNCO @g-KCF正极的应力-应变曲线,c)AC @ g-KCF-d负极的应力-应变曲线,  d)PVA/ PEO / KOH flm电解质/隔膜的应力-应变曲线,e)在单轴(x),单轴(y)和双轴(xy)方向上的不同拉伸性尺寸,f)自行设计的示意图 拉伸机(f1),以VersaSTAT 4电化学工作站在拉伸位置测量BSASC的电化学性能。
 

图5.在典型的三电极系统中,MOF-ZNCO @ g-KCF(正)电极和AC @ g-KCF-d(负)电极的电化学特性。
 

图6.MOF-ZNCO @ g-KCF // AC @ g-KCF-d BSASC装置在PVA / KOH 薄膜电解质中的电化学性能。
 

图7.BSASC设备的Ragone图。

本文成功地制造了高度石墨化的基于编织碳纤维的高性能超级电容器,使用的是本文作者设计的拉伸机,并且在拉伸位置也测试了BSASC的性能一致性。BSASC达到了苛刻的拉伸尺寸,这显示出高能量密度以及非凡的循环稳定性和速率能力。新型的双轴可拉伸双层阳极、法拉第阴极、水凝胶聚合物薄膜电解质,这为该设备提供了惊人的双轴可拉伸性。本文的工作目标是证明BSASC在拉伸位置时的性能均匀性,而不是获得最大的能量密度和稳定性。(文:SSC)

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