PNSMI Best Paper | 石墨烯/二氧化锰/黑磷复合电极材料适用高性能微型超级电容器

研究背景

近年来，便携式和可穿戴电子设备变得非常流行。超级电容器由于其优异的电荷存储能力而广泛用于为柔性/可穿戴电子设备供电。

自2014年发现二维黑磷以来，一些研究人员将其应用于储能目的，并报道了令人满意的性能，如T.Y. Wu 等人使用黑磷制备可在恶劣环境下运行的全固态柔性超级电容器，为智能电子设备供电。二维黑磷具有与石墨烯相同的单原子片层结构。它是一种二维直接带隙半导体材料，比石墨烯材料具有相对较高的理论比容量和更好的载流子迁移率。本研究尝试将二维黑磷与石墨烯两种材料结合制备复合材料电极，以提高超级电容器性能。

研究方法及亮点

本研究采用简单水浴法在单层石墨烯表面生长MnO₂纳米片，在制浆过程中引入二维黑磷，制备了石墨烯/MnO2复合材料。并采用丝网印刷技术，使用该复合材料制备同心圆形微型超级电容器(CCMSCs)。

实验结果解析

图1. 复合材料的x射线衍射(XRD)图。图1b 可以观察到具有更大比表面积的花状片层结构石墨烯，从而可以结合更多的MnO₂。

图2. 对复合材料进行透射电镜(TEM)成像。

图2a,2b 显示，细小的片状MnO2颗粒覆盖在片状石墨烯上，形成有序分布的花状结构，有利于电荷的存储。

图e记录了记录了花状结构的EDS谱，Mn和O元素在整个花状结构中分布良好。

图5. 展示了使用双电极测试系统对石墨烯/二氧化锰/黑磷的电化学性能进行评估。图5(a)的形状为准矩形CV曲线，是具有电化学双层电容器(EDLC)和法拉第赝电容器两种储能方式的良好可逆超级电容器的特征。

图(b)中GCD曲线呈等腰三角形，表明循环性能优异。

实验总结与结论

本研究采用简单的水浴法将黑磷掺杂到石墨烯/MnO₂中制备了一种高性能的超级电容器电极材料，石墨烯/MnO2/黑磷电极。添加黑磷不仅提高了石墨烯/MnO2的导电性，而且保持了结构稳定性，从而提高了倍率性能和循环稳定性。

石墨烯/二氧化锰/黑磷电极的超级电容器的倍率能力达到约80.3%，具有高比电容值(0.1 A/g时41.7 F/g; 1 A/g时21 F/g)，以及良好的循环稳定性(在1 A/g电流密度下5000次循环后79%)。

将具有高比面积电容(扫描速率为2 mV/s时为20.15 mF·cm-2)和优异柔韧性(90°弯曲500次后为78%)的同心圆形微型超级电容器(CCMSC)集成到柔性可穿戴设备中，证明了石墨烯/MnO2/黑磷电极在柔性可穿戴设备中的适用性。

引用此文章

https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2021.10.008

Flexible micro-supercapacitors fabricated from MnO₂ nanosheet/graphene composites with black phosphorus additive

石墨烯/二氧化锰/黑磷复合电极材料适用

作者简介

杨正春，天津理工大学微电子科学与工程系教授，先进材料与印刷电子中心负责人。主要从事碳基半导体材料工艺及器件、新能源器件及系统、先进传感器及高端装备等研究。曾获得天津市“海外高层次人才引进计划”（青年项目）、天津市特聘教授青年项目、天津市高校“中青年骨干创新人才培养计划” 、天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才。