成果简介
构建既具有宽工作电压又具有高能量密度的水基柔性超级电容器是很有希望的，但仍然具有挑战性。在超级电容器中，电极的电子/离子传导特性，无论是在电极与电解质之间还是在电极材料内部，都对激发活性材料的电容成分起着关键作用，特别是对于实际应用中使用的较厚的电极。本文，湖南大学《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Multi-electron/ion conduction channels enabling high-performance flexible supercapacitors”的论文，研究开发了一种三维多孔碳纤维（CF）均匀包裹的金属氧化物（MxOy），并通过石墨烯片（Gs）相互连接，以构建多电子/离子传导通道油墨（多导电油墨）。原位电化学阻抗与原位电位监测相结合，发现丝网印刷的多电子/离子传导通道电极不仅大大促进了电子和离子的扩散/传输，而且还大大加快了金属氧化物的氧化还原动力学。
因此，基于MxOy/CF@Gs多导电电极（如Fe2O3/CF@Gs//NiO/CF@Gs）组装的不对称柔性超级电容器在3 mA cm-2时可提供206.2 mF cm-2的显著面积电容，远远高于纯Fe2O3/NiO（27.5 mF cm-2）和Fe2O3/CF/NiO/CF（53 mF cm-2）。多导电超级电容器的能量和功率密度分别达到了0.093 mW h cm-2和30 mW cm-2。此外，丝网印刷的柔性超级电容器还表现出良好的灵活性，在1500次弯曲循环后电容保持率达到89.2%。更令人印象深刻的是，两个串联的印刷柔性超级电容器在充电50秒后可以为一个工作了350分钟的计时器供电，或者在不断弯曲、挤压和拍打的情况下照亮8个LED阵列。因此，它为未来的便携式和可穿戴电子设备的能源设计开辟了新的前景。
图文导读
图1、 (a) NiO/CF和Fe2O3/CF电极材料的合成过程示意图。(b) 丝网印刷的MxOy/CF@G基多导电电极的制造过程。
图2（a–c）多孔碳纤维（CF）的SEM图像。（d） Fe2O3/CF和NiO/CF样品的XRD图。（e） CF、Fe2O3/CF和NiO/CF的拉曼光谱和（f）孔径分布曲线以及N2吸附-解吸等温线（插图）。（g） Fe2O3/CF样品的SEM图像以及C、Fe和O元素的相应EDX映射图像。（h） NiO/CF样品的SEM图像以及C、Ni和O元素的相应EDX映射图像。
图3 (a) 基于Fe2O3/CF@G/NiO/CF@G的不对称柔性超级电容器的制造过程示意图。(b) MxOy/CF@Gs多导电油墨的表观粘度与剪切率的关系。插图：多导电油墨的照片。(c) MxOy/CF@G墨水的存储模量（G′）和损失模量（G′′）与角频率的关系。(d)印刷图案电极的扫描图。(e)硅基材上丝网印刷的多导电电极的俯视图和(f)侧视图SEM图像。
图4、基于Fe2O3/CF@Gs/NiO/CF@Gs的不对称柔性超级电容器的性能电化学性能
图5、基于Fe2O3/CF@Gs/NiO/CF@Gs的不对称柔性超级电容器的扩展应用
小结
综上所述，我们成功实现了基于三维多孔碳纤维组成的金属氧化物和石墨烯的多电子/离子传导通道油墨。这项工作为开发具有大工作电压、高能量和功率密度、出色的灵活性和轻质的可打印储能材料和设备提供了很好的机会。
文献：https://doi.org/10.1039/D2TA06580K
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