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西安交大AFM:激光輔助構筑多級微柵陣列碳納米管電極,助力高性能超級電容器

研究背景

傳統化石燃料的不斷消耗及其燃燒造成的環境污染和能源枯竭問題日益嚴重,開發可持續再生的新型清潔能源以及能源存儲和轉換系統已成為國內外研究熱點和亟待解決的問題。超級電容器作為一種具有高功率密度和超長循環壽命的能量存儲器件,近年來得到了廣泛的關注和研究。超級電容器的性能主要取決于電極材料,傳統制備電極的方式主要是涂布技術,這種方式雖然可以通過控制電極厚度來增加超級電容器的容量,但實際使用過程中由于電極材料過厚容易從集流體上脫落,從而影響電極循環壽命。為了解決這一問題,研究者通常將活性材料通過原位方法生長在金屬鋁集流體表面作為電極來獲得具有高容量的超級電容器。然而,以往的研究結果表明,直接使用鋁箔作為基底生長活性材料存在活性材料負載量低且與基底結合較差等問題,嚴重影響超級電容器的比容量和能量密度等性能。因此,如何提高活性材料的負載量以及活性材料與集流體之間的結合強度仍是一個挑戰。

成果簡介

西安交大AFM:激光輔助構筑多級微柵陣列碳納米管電極,助力高性能超級電容器

針對這一問題,西安交通大學化學學院杜顯鋒教授團隊采用激光刻蝕技術結合化學氣相沉積法設計并制備了一種具有多級結構的鋁微柵陣列碳納米管(VACNTs)電極,與通過傳統涂布法制備的CNTs電極相比,Al微柵VACNTs電極具有更高的活性材料負載量(13 mg cm-2)、與集流體之間結合好,并且表現出優異的電化學性能。當電流密度為13 mA cm-2時,電極的面容量高達1,300 mF cm-2;而且在高電流密度下(130 mA cm-2)循環20,000圈后容量保持率為90%以上。此外,由于集流體與活性材料之間具有良好的機械強度和柔韌性,在多次多角度彎曲后仍然表現出良好的性能。該項研究結果表明具有多級結構的Al微柵VACNTs電極在高性能、柔性和可穿戴超級電容器儲能器件領域具有良好的應用潛力。

研究亮點

(1)采用一種簡單的兩步法制備了Al微柵多級VACNTs作為電雙層電容器(EDLC)電極。這種方法不僅增強VACNTs和集流體之間的接觸強度而且增加了活性材料負載量(~13mg cm-2),遠高于文獻中的平均水平(1mg cm-2 ~5mg cm-2) ;

(2)采用上述方法制備的VACNTs提供了垂直導電通道,以促進電極表面的離子傳遞。與傳統的非陣列CNTs相比,Al微柵多級VACNTs具有優異的電化學性能

圖文解讀

西安交大AFM:激光輔助構筑多級微柵陣列碳納米管電極,助力高性能超級電容器

圖1 制備工藝及表征
西安交大AFM:激光輔助構筑多級微柵陣列碳納米管電極,助力高性能超級電容器
圖2 電化學性能

文獻信息

Ultrahigh-Areal Capacitance Flexible Supercapacitors Based on Laser Assisted Construction of Hierarchical Aligned Carbon Nanotubes,Adv. Funct. Mater.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104531

課題組簡介

論文第一作者為化學學院新能源材料化學研究所博士生黃珊,熊禮龍副教授和杜顯鋒教授為通訊作者,西安交通大學為唯一通訊單位。該研究工作是西安交通大學化學學院杜顯鋒教授課題組在高性能超級電容器領域的又一研究成果,并且獲得國家自然科學基金和陜西省自然科學基金重點項目的支持。杜顯鋒教授團隊長期致力于儲能材料的設計和制備以及儲能器件的研究,目前已在Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials and Interface、Journal of Powder Sources 等國際學術期刊上發表系列高水平科研成果。

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