成果简介
超级电容器已成为能源传输的重要技术，为传统储能设备提供了一种替代方案，能够提供高功率供应和寿命。然而，它们的应用和发展受到灵活性、自立性和高能量密度之间紧张关系的阻碍。本文，南京理工大学Jianfei Che、四川大学 张永志副研究员在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Vertical-Channeled Graphene Oxide/Cellulose Composite Flexible Electrodes”的论文，本研究以纤维素为主要原料，氧化石墨烯（GO）为填充物。通过径向冷冻铸造对形态控制的精心调控，电极呈现出纵向和径向垂直通道的多孔结构，在电流密度为 1Acm-2 时，电容值达到 463mF cm-2。此外，所构建的全固态对称超级电容器在功率密度为 500μW cm-2 时，能量密度高达 49.7μWh cm-2。这项研究为更灵活、更轻便的超级电容器铺平了道路，有望在储能应用中实现长期性能。
图文导读
图1.垂直通道 Cellulose/GO 气凝胶 （BF） 的结构设计。
图2.（a） BF 样品的 TEM 图像。（b） BF 样品的放大图像。（c） HRTEM 图像和 （d） BF 样品上加载的 GO 的 SAED 模式。
图3.BF 在三电极系统中的电化学性能。
图4. (a) BF 电极弯曲示意图。(b) 50 mV s-1 扫描速率下不同变形情况下 DF 的 CV 曲线。(c) 不同变形情况下的电容保持率。(d) BF 电极在不同弯曲周期下的电容保持率。(e) 压缩 BF 气凝胶的示意图。(f) 压缩应力-应变曲线。
图5：（a）电流密度为 10 mA cm-2 时 BF 电极的电容保持率随周期数的变化。b）BF 电极在稳定性测试前后的奈奎斯特图，插图为高频区域的放大图。(c) 稳定性测试前后相位角与对数频率的 Bode 图。
图6.BF-ASS 器件的电化学性能。
图7、（a、b）BF-ASS 器件在不同变形和扭曲条件下的照片。(c) BF-ASS 器件在 100 mV s-1 扫描速率下不同变形情况下的 CV 曲线。(d) BF-ASS 器件在各种变形情况下的电容保持率。(e) 单个 BF-ASS 器件以及串联和并联的三个 BF-ASS 器件的 GCD 图。(f) 在放电状态下，三个串联的 BF-ASS 器件可为一个黄色 LED 供电。
小结
综上所述，通过径向冷冻铸造的方法，成功地用纤维素和 GO 制备出了气凝胶电极，这种方法不仅能形成垂直通道多孔和复杂的各向异性支架结构，还能阻止 GO 片的重新堆积。由于垂直通道结构和 GO 有序分层排列的协同优势，气凝胶电极显示出卓越的机械和电化学性能。在电流密度为 1 mA cm-2 的条件下，它的面积电容高达 463 mF cm-2，抗压强度为 1.2 MPa。此外，使用气凝胶电极构建的 BF-ASS 在功率密度为 500 μW cm-2 时，能量密度高达 49.7 μWh cm-2，而且循环稳定性极佳（在 8000 次循环中电容保持率为 88.9%），这表明垂直沟道纤维素/GO 气凝胶超级电容器具有实际储能应用的潜力。这些引人注目的发现突出表明，冷冻铸造是一种很有前途的电极制造方法，有望推动柔性超级电容器电极的开发。
文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c04687
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