17年專注鋰電池定制

用于柔性固態非對稱超級電容器的銀量子點修飾MoO3和MnO2紙狀自支撐薄膜

來源:鉅大LARGE    2019-06-18    點擊量:113

隨著便攜式電子設備、移動電子設備、電子紡織品和電子皮膚等的快速發展,對具有高能量密度和功率密度的高度安全和靈活的能量存儲設備的需求不斷增大。超級電容器具有高功率密度、長壽命、寬的工作溫度范圍等特點,但能量密度仍然限制了超級電容器更廣泛的應用,通過構筑固態非對稱超級電容器可以有效地擴展器件的電壓窗口,從而根據方程式E=1/2·CV2可以有效地提高能量密度。因此,研究具有良好機械性能的先進固態非對稱超級電容器以滿足市場需求成為近來研究的熱點。

二氧化錳(MnO2)是一種有前景的贗電容材料,由于其理論比容量高(1370Fg-1)、成本低、可用性強并且環境友好,因此作為正極材料備受關注,但它們的低電導率和固有的氧化還原反應,通常導致實際比電容較低和循環穩定性較差。量子點(QD)是具有大致球形形狀且直徑在2和8nm之間的金屬或半導體納米顆粒。本文主要介紹了通過Ag量子點修飾納米結構的過渡金屬氧化物電極,來增強其物理參數并構建優異的固態非對稱超級電容器。

近日,華中科技大學郭新教授和魏璐副教授(共同通訊作者),博士生張興艷(一作)等人通過水熱法合成MoO3納米帶、MnO2納米線和Ag量子點,通過簡單的真空抽濾和“浸漬、干燥”過程制備了Ag量子點修飾的MoO3或MnO2(AgQDs/MoO3或AgQDs/MnO2)紙狀自支撐薄膜。該混合納米結構電極表現出優異的贗電容性能,具有高的面積比電容,優異的倍率性能和循環穩定性。此外,構建了基于AgQDs/MnO2陰極,AgQDs/MoO3陽極和Na2SO4/PVA凝膠電解質的固態非對稱超級電容器,該器件具有高能量密度、功率密度和良好的柔性,在高度安全的中性水系電解液中具有高達2V的穩定的工作電壓窗口,裝置的整體電化學性能優于文獻報道的一些非對稱超級電容器。相關論文以“Silver-Quantum-Dot-ModifiedMoO3andMnO2Paper-LikeFreestandingFilmsforFlexibleSolid-StateAsymmetricSupercapacitors”為題發表在Small上

AgQDs/MoO3和AgQDs/MnO2薄膜的制備:MoO3納米線、MnO2納米線和Ag量子點均采用水熱法合成。首先,將25mgMoO3納米線(或10mgMnO2納米線)分散到50mL去離子水中,超聲處理15分鐘,通過真空抽濾,將得到的濾餅在120℃下真空干燥,然后剝離,從而得到直徑為40mm的紙狀自支撐薄膜。通過簡單的“浸漬、干燥”過程獲得AgQDs修飾的MoO3或MnO2膜:具體過程是將一片MoO3(或MnO2)膜置于培養皿中,加入一定量的分散在環己烷中的AgQDs溶液直至浸沒,并保持浸漬2小時,再在70℃下干燥2小時。經過幾次浸漬、干燥循環過程后,樣品在250℃下完全干燥2小時,得到AgQDs/MoO3或AgQDs/MnO2薄膜。固態非對稱超級電容器的制備:固態非對稱超級電容器采用AgQDs/MnO2薄膜作為正極,AgQDs/MoO3薄膜作為負極,Na2SO4/PVA凝膠作為電解質,在組裝超級電容器之前,首先將電極(沒有任何粘結劑和導電添加劑的AgQDs/MoO3和AgQDs/MnO2薄膜)和隔膜浸泡在凝膠電解質中2小時,使用不銹鋼片作為集流體將由隔膜分開的兩個電極組裝在一起,或使用Ni泡沫作為柔性集流體,并用paraffin膜密封得到柔性器件。

通過簡單的“浸漬、干燥”過程使用Ag量子點對MnO2和MoO3紙狀自支撐薄膜進行表面改性是改善混合電極贗電容存儲性質的有效策略。由于插層贗電容機制,AgQDs/MoO3“紙”在0.2mAcm?2下的比電容高達735.6mFcm?2,而AgQDs/MnO2“紙”在相同電流密度下的比電容值為63.64mFcm?2,兩者均具有良好的倍率性能和優異的循環性能。組裝的固態非對稱超級電容器,以AgQDs/MoO3“紙”為陽極,AgQDs/MnO2“紙”作為陰極,Na2SO4/PVA凝膠作為電解質可以在0-2V的電壓范圍內可逆地循環。它具有高的面積比電容(82.66mFcm-2),在13.3mWcm-3(20μWcm-2)的功率密度下具有30.6mWhcm-3(45.92μWhcm-2)的優異能量密度,在不同電流密度下具有良好的循環穩定性,在機械彎曲作用下具有出色的結構和電化學完整性。該策略也可以用于制備其他過渡金屬氧化物薄膜或納米結構,其中Ag量子點的修飾增強作用可以用于多方面領域,而不限于能量存儲。

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