JMCA,基於PANI/N-CNT@CNT纖維的高性能可穿戴超級電容器分層芯鞘結構設計

隨著可擕式和可穿戴電子產品的快速發展,開發輕量、便攜、靈活、可集成的儲能設備具有極其重要的意義。纖維狀柔性超級電容器是柔性儲能器件的一個重要分支,便於編織到紡織品中,形成集成的多功能系統,可以滿足柔性化、微型化和集成化的可穿戴要求。現時,纖維狀柔性超級電容器受到電荷轉移不足以及活性資料負載量較低等限制,效能亟待提升。

隨著可擕式和可穿戴電子產品的快速發展,開發輕量、便攜、靈活、可集成的儲能設備具有極其重要的意義。纖維狀柔性超級電容器是柔性儲能器件的一個重要分支,便於編織到紡織品中,形成集成的多功能系統,可以滿足柔性化、微型化和集成化的可穿戴要求。

現時,纖維狀柔性超級電容器受到電荷轉移不足以及活性資料負載量較低等限制,效能亟待提升。囙此,製備電化學效能和機械性能優异的柔性儲能器件是現時亟待解决的重要問題。

針對上述問題,湖南大學陳旭麗老師等人圍繞碳納米管纖維電極資料的表面改性、結構設計及與贗電容資料的複合展開研究,如圖1所示,通過在高度取向的碳納米管纖維(CNT)表面生長摻氮碳納米管(N-CNT),再在N-CNT上沉積聚苯胺(PANI),製備出了一種具有多級芯鞘結構的複合纖維。

圖1.PANI/N-CNT@CNT複合纖維製備示意圖

取向CNT纖維具有良好的機械效能,柔性好、强度大,但其儲能效能主要依賴雙電層電容,比容量較低。在雙電層電容儲能基礎上,該團隊進一步設計了在取向CNT纖維表面通過CVD法生長N-CNT,由於N原子上的孤立電子對能够為離域的共軛體系提供額外的負電荷,氮摻雜可有效提高碳資料的導電性。

而且,氮摻雜還可提高資料的可潤濕性,增强CNT與溶劑分子、活性資料分子間的相互作用。同時,N摻雜的CNT生長過程中容易發生螺旋生長,構建三維網架結構,更有利於複合其他贗電容資料。

在此基礎上,通過電化學沉積的方法,即可在N-CNT表面複合PANI,利用PANI高比容量、高導電性、合成工藝簡單、環境穩定性好、摻雜/脫摻雜可逆性好等優點,可有效提高複合纖維電極的比容量。所得纖維的SEM圖片如圖2所示。

圖2.(a,b)取向CNT纖維,(c,d)N-CNT@CNT纖維,(e,f)PANI/N-CNT@CNT纖維不同倍數的SEM圖片。

該研究對比了純取向CNT纖維、N-CNT@CNT纖維、PANI/N-CNT@CNT纖維的儲能效能,如圖3所示,PANI/N-CNT@CNT纖維相比CNT纖維、N-CNT@CNT纖維、PANI @CNT纖維的儲能效能均有明顯優勢。

在此基礎上,該論文進一步研究了PANI含量對所得複合纖維電極效能的影響規律,PANI含量較低時,比容量較低,PANI含量過高時會因PANI團聚導致效能下降,當其PANI含量達到70%時,纖維效能最佳,在1 A g-1的電流密度下,比容量可達323.8 F g-1。

由於氮摻雜可有效提高碳資料的導電性、可潤濕性,而且,N-CNT的彈簧狀結構可有效新增比表面積並有利於充放電過程中的離子遷移,故該複合纖維在50 A g-1的電流密度下,比容量仍可達到221.3 F g-1,具有良好的高倍率效能。

圖3.纖維電極的儲能效能表徵。CNT纖維、N-CNT@CNT纖維、PANI @CNT纖維、PANI/N-CNT@CNT纖維的(a)10 mV s-1掃速下的CV曲線圖,(b)1 A g-1電流密度下的GCD曲線。不同PANI含量的PANI/N-CNT@CNT纖維的(c)10 mV s-1掃速下的CV曲線圖,(d)1 A g-1電流密度下的GCD曲線,(e)1 A g-1電流密度下的比容量值,(f)比容量隨電流密度、PANI含量的變化。

將兩根PANI/N-CNT@CNT複合纖維作為電極,分別塗敷PVA/H3PO4凝膠電解質並組裝成纖維狀柔性超級電容器。如圖4所示,PANI/N-CNT@CNT複合纖維在1 A g-1的電流密度下,比容量可達264.8 F g-1,50 A g-1的電流密度下,比容量仍能達到192.5 F g-1,具有良好的高倍率效能。

同時,由於N-CNT的氮摻雜結構可有效增强PANI活性資料的穩定性,故該超電容器在20A g-1的電流密度下經過10000次迴圈,比容量仍能保持92.1%,表現出良好的迴圈穩定性。

圖4.(a)不同掃速下的CV曲線圖,(b)不同電流密度下的GCD曲線,(c)奈奎斯特圖,(d)電容與庫倫效率與電流密度之間的關係,(e)本工作Ragone圖與相關文獻的比較,(f)在20A g-1下迴圈穩定性與庫倫效率的研究,插圖為20A g-1的不同GCD曲線。

以上成果發表在Journal of Materials Chemistry A(DOI:10.1039/d1ta03663g)。

文章連結:https://doi.org/10.1039/D1TA03663G

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本文標題: JMCA,基於PANI/N-CNT@CNT纖維的高性能可穿戴超級電容器分層芯鞘結構設計
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656044685297185
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