Adv. Mater.: 二維噻吩納米片與石墨烯堆疊層異質結膜作為高倍率高容量全固態贗電容器電極

【引言】

隨著便攜式和可穿戴式電子產品的快速發展,未來的儲能設備除了變得輕薄實惠外,還需要具備超強的柔性。全固態超級電容器（ASSSs）具有極強的器械柔性和安全性，在電子設備的制造過程中被認為是一種很好的高功率源。但總體上，納米碳基底（如活性炭、碳納米管、石墨烯）ASSSs的體積比電容低，而以導電聚合物和金屬氧化物為基底的贗ASSSs倍率性能和循環穩定性較差，這些缺點極大的限制它們在實際生活中的應用。因此，開發一種具有大體積比電容，出色的倍率性能和高循環性的新型電極材料對ASSSs來說具有重要意義。

【成果簡介】

近日，中國科學院大連化學物理研究所吳忠帥研究員、德國馬普所的Klaus Müllen教授以及德累斯頓技術大學的馮新亮教授（共同通訊作者）的團隊在Advanced Materials上發表了一篇題為“Stacked-Layer Heterostructure Films of 2D Thiophene Nanosheets and Graphene for High-Rate All-Solid-State Pseudocapacitors with Enhanced Volumetric Capacitance”的文章。該研究團隊首次利用噻吩（TP）納米片和電化學剝離的石墨烯（EG）制備出堆疊層異質結膜（TP/EG），并將其應用于高倍率、柔性化ASSSs (TP/EG-ASSSs)和微型超級電容器（TP/EG-MSCs）。研究團隊通過依次交替沉積EG納米片和氧化還原性導電TP納米片的方法獲得異質結膜，再將所制備的膜直接轉移到聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上并用作柔性超級電容器的無粘合劑和無添加劑電極。該團隊所制成的TP/EG-ASSSs的面積比電容約為3.9 mF/cm²，體積比電容約為375 F/cm³，能量密度為13 mWh/cm³,功率密度為776 W/cm³。同時，所制成的TP/EG-MSCs具有超高倍率性能，能夠在高至1000 V/s的倍率下工作。在100 V/s的倍率下，TP/EG-MSCs面積比電容為1.30 mF/cm²，體積比電容為123 F/cm³。另外，這種超柔性的TP/EG-MSCs在不同的彎曲狀態下都具有很穩定的電化學性能。

【圖文導讀】

圖1: TP和EG納米片的結構和形貌特性

(a)通過由Ph2TPh單體組成的聚合物的自組裝來制備TP納米片，該Ph2TPh單體是由溶解在鄰二氯苯（DCB）中的1,2,3-三唑單元連接而成；

(b)穩定的TP溶液的光學圖像，DCB溶液中單體單元的溶度為1×10^-4 mol/L；

(c)TP納米片的TEM圖像，插圖是TP納米片的示意圖；

(d)TP納米片的AFM圖像；

(e)TP納米片的高度輪廓，厚度約為3.5 nm；

(f)穩定EG溶液的的光學圖像，在DMF溶劑中EG的溶度為0.1 mg/L；

(g)EG納米片的SEM圖像，插圖是EG納米片的示意圖；

(h)EG納米片的AFM圖像；

(i)EG納米片的高度輪廓，厚度約為1.0 nm。

圖2:TP/EG異質結薄膜的表征

(a)自由站立TP/EG異質結薄膜的SEM圖，左上的插圖是在PET基底上制備的薄膜，右下的插圖是異質結薄膜的示意圖；

(b)TP/EG異質結薄膜的表面形貌；

(c)由臺階儀測量得到TP/EG異質結薄膜的相應厚度；

(d)TP/EG異質結薄膜的SEM頂視圖，插圖是異質結薄膜的示意圖；

(e)TP/EG異質結薄膜高分辨SEM頂視圖，表明石墨烯存在褶皺。

圖3：TP/EG-ASSSs的電化學表征

(a)柔性TP/EG-ASSSs的示意圖；

(b)在1 mV/s至500 mV/s范圍內不同掃描速率下獲得的CV曲線；

(c)在1 V/s至100 V/s范圍內不同掃描速率下獲得的CV曲線；

(d)TP/EG-ASSSs和EG-ASSSs的體積比容量；

(e)TP/EG-ASSSs和EG-ASSSs的Ragone圖

(f)TP/EG-ASSSs和EG-ASSSs的阻抗相位角與頻率的函數關系圖，插圖是TP/EG-ASSSs和EG-ASSSs的高頻率Nyquist圖；

(g)TP/EG-ASSSs在不同彎曲角度下測試的彎曲示意圖；

(h)TP/EG-ASSSs在不同彎曲角度下測試獲得的CV曲線；

(i)掃描速率為100 mV/s時TP/EG-ASSSs的循環穩定性。

圖4：TP/EG-MSCs的電化學表征

(a)平板TP/EG-MSCs的頂視示意圖；

(b)電荷狀態的側視示意圖；

(c)在0.1 V/s至1000 V/s范圍內不同掃描速率下獲得的CV曲線；

(d)面積比容量和體積比容量與掃描速率的函數關系曲線；

(e)平鋪狀和彎曲狀TP/EG-MSCs在掃描速率為1 V/s的條件下獲得的CV曲線，插圖是平鋪狀和彎曲狀TP/EG-MSCs的照片。

【小結與展望】

作者所在研究團隊制造了以超薄TP和EG納米片堆疊層異質結膜為電極的全固態贗電容器和微型超級電容器,并證實此類電容器具有高體積比電容,高能量密度、高功率密度和超柔性。在這里有理由相信，這種堆疊層異質結膜在超級電容器中使用能夠為諸如二維石墨烯等新概念薄膜在儲能設備中的應用打開一扇新的大門。

文獻連接：Stacked-Layer Heterostructure Films of 2D Thiophene Nanosheets and Graphene for High-Rate All-Solid-State Pseudocapacitors with Enhanced Volumetric Capacitance（Adv. Mater. 2016, DOI:10.1002/adma.201602960）

本文由材料人新能源學術小組黃M吉整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。

材料測試，數據分析，上測試谷！