復合纖維超級電容器的案例
可以穿在身上的纖維狀超級電容器
纖維狀超級電容器是柔性儲能器件的一個重要分支，被學術界和產業界廣泛關注。如何制備高性能纖維電極及器件是目前的研究重點之一.
針對這一問題，復旦大學彭慧勝教授課題組制備了一類具有雙親性核殼結構的碳納米管復合纖維電極。該復合纖維電極的殼層為聚苯胺修飾的親水碳納米管以實現更好的離子可接近性，從而有效提升電極的電化學性能；而核層為納米金沉積疏水碳納米管以實現快速電子傳輸，從而顯著提高電極的電導率。得益于各組分之間的協同效應，在0.5?A?cm?3的電流密度下，該復合纖維電極的比容量可以達到324?F?cm?3。同時該纖維電極也展示了優異的倍率性能，在50?A?cm?3電流密度下，比容量可以保持為小電流下比容量的79% (即256?F?cm?3
)。
由此得到的纖維狀超級電容器也實現了高能量密度和高功率密度，分別可達到7.2?mWh?cm?3和10?W?cm?3。
這種纖維狀超級電容器可以進行編織并嵌入到普通織物中，賦予普通衣物儲能性能，并在經受拉伸和彎曲等變形條件下保持其優異的綜合性能。這種多層次的復合電極設計有望使儲能衣物成為現實，為制備其他高性能可穿戴器件提供了一種可行的方法。
圖1 雙親性核殼結構復合纖維的結構示意圖，和其形貌及組成的表征。
圖2 復合纖維超級電容器應用在普通織物上，展現出優異的儲能性能。
該研究成果最近發表于Science China Materials, 2019, doi:10.1007/s40843-018-9408-3。
展開 10英寸超大尺寸復合納米薄膜用于耐溫柔性超級電容器
現有超級電容器的工作溫度區間約為150°C，但柔性較差。在實際工作環境中，超級電容器通常是暴露在復雜系統或極端溫度環境下，如此用于電動汽車或者極度寒冷的地區。
中國石油大學(華東)臧曉蓓和清華大學康飛宇、朱宏偉等人近期在Science China Materials上發表論文，他們制備了面積高達550 cm2(常規尺寸的29倍)的石墨烯/碳納米管/錳氧化物(rGO/CNT/MnOx)復合薄膜，并將其用于耐溫柔性超級電容器。該電極材料的性能取決于復合薄膜中石墨烯、碳納米管和錳氧化物的比例，其中，MnOx賦予其高比電容。此柔性超級電容器可在?20~200°C溫度區間內保持良好的電化學性能和柔性，表現出優異的穩定性。該工作為復合納米材料薄膜的大批量制備和適用于寬溫度區間的柔性超級電容器的發展奠定了基礎。
圖1 超級電容器的柔性
該研究成果最近發表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9399-3。
展開 電容容量的關鍵： 微小的設計變革可以重塑超級電容器的未來
當我們關注能源和能量存儲應用領域時，我們會發現電容器是該領域的"無名英雄"。作為無源器件，電容器有兩個端子，可存儲能量并在需要時釋放能量—常常用來作為"備用"電源。在日常生活中，電容器的用途比我們想象的還要廣。例如，電容器可以用到鬧鐘等簡單日常用品，我們還可以常備一個荷電電容器，以便在斷電時應急使用。
還是拿鬧鐘舉例，如果電源斷開，電容器就會放電--向時鐘電路輸送電流，以確保其繼續運行。隨著電容器的應用越來越廣，新型電容器正在不斷進入市場，超級電容器(又稱雙電層電容器，EDLC)現在也被更大規模的使用。新能源汽車，諸如純電動車、混合動力汽車和電動巴士等都依賴于超級電容，因為它們具有比標準電容器大得多的電荷存儲空間，此外一些大功率和再生能源應用領域也在利用超級電容技術。其他應用領域包括國防、能源、航空航天以及各種工業應用。
電容器和超級電容器的用途
汽車領域是電容器和超級電容器的關鍵市場，汽車的許多功能為電容器提供用武之地。
啟動/停止功能和動力轉向需要電容器，混合動力汽車驅動需要超級電容器具有更大的功率容量。隨著電動汽車不斷發展并進入主流汽車市場，對電容的需求將進一步增加。未來技術進步有可能使超級電容器取代鋰離子電池作為動力源，并提供與汽油車甚至柴油動力汽車相當的行駛里程。
鐵路行業也開始充分挖掘超級電容器技術的應用潛力。比如由西班牙薩拉戈薩市的鐵路公司CAF制造的Urbos 3有軌電車，其使用一系列超級電容器，這些超級電容器位于車廂上部，用于回收剎車能量--可節省35%的電力。超級電容器可在電車停靠站充電而不需要架空電纜，也可在某些?？空局g運行而無需使用電纜連接。
在再生能源領域，超級電容器在風力渦輪機等應用中具有重要地位。
展開 東華大學《JMCA》：3D打印GO氣凝膠制備高面電容的可定制超級電容器
CA-x纖維狀對稱超級電容器（FSSC）的電化學研究
作者接著通過3D打印制備纖維CA，并將這些3D打印的纖維CA用作電極，組裝成全固態FSSC。纖維表面上的大孔促進電解質滲透到電極內部，而內部大孔用作電荷存儲緩沖液以改善電容性能（圖3a）。高溫后，PAA可以有效碳化，形成通暢的導電通道，且CA-4電極中相互連接的多孔網絡為離子傳輸提供了快速通道，因而使其具高比電容。在圖3c中計算了不同電流密度下CA-4 FSSC的電容值。CA-4 FSSC在0.4 mA cm-2時的面電容為59.1 mF cm-2。隨著電流密度的增加，電容緩慢下降，表明CA-4 FSSC的速率性能良好。在10000次充電和放電循環后，CA-4 FSSC的電容幾乎沒有衰減，庫侖效率高達99％（圖3d），證明了理想的循環穩定性。CA-4 FSSC的面電容和面能量密度超過了先前報告的大多數碳基器件的總能量（圖3e）。CA-4 FSSC的這些優異的電化學性能是高電導率和N摻雜互連多孔結構共同作用的結果。當四個CA-4 FSSC串聯連接時，電壓窗口增加4倍，而CV曲線的面積和放電時間幾乎不變，表明電容保持在原始值（圖3f）。當四個CA-4 FSSC并聯連接時，電壓窗口仍為0.8 V，但電容值增加了4倍（圖3g）。四個串聯的CA-4 FSSC可以用1.8 V的電壓點亮兩個并聯的LED燈泡（圖3h），說明與CA-4 FSSC組裝在一起的集成設備具有實際應用。
圖3 CA - x纖維形對稱超級電容器（FSSC）的電化學性能。（a）基于CA的FSSC的操作示意圖。（b）CA- x FSSC的奈奎斯特圖。（c）CA-4 FSSC在不同電流密度下的比電容和相應的電容保持率。（d）CA-4 FSSC的循環穩定性和庫倫效率。（e）將這項工作與其他工作中的面電容和面能量密度進行比較。
展開 
超級電容器真給力
知道電容器吧？那有沒有聽說過超級電容器呢？超級電容器又叫雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、電化學電容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容，通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件（amp），但在其儲能的過程并不發生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。期待在這次的中國電子展上有超級電容器的新品展示。
《AEM》馬里蘭大學：金屬離子誘導 MXene 氣凝膠組裝，用于電磁干擾屏蔽、電容去離子和微型超級電容器
通過刮刀技術和冷凍干燥，Mg
2+
-MXene 氣凝膠具有定制的形狀/尺寸，具有高表面積 (140.5 m2 g
-1
)、優異的導電性 (758.4 S m
-1
) 和在水中的高穩定性.高導電性 MXene 氣凝膠展示了其從宏觀技術（例如，電磁干擾屏蔽和電容去離子（CDI））到片上電子（例如，準固態微型超級電容器（QMSC））的多種應用。作為 CDI 電極，
Mg
2+
-MXene 氣凝膠表現出高鹽吸附能力（33.3 mg g
-1
）和長期運行可靠性（超過 30 次循環）
，與文獻進行了極好的比較。此外，與其他最先進的 QMSCs 相比，具有交叉 Mg
2+
-MXene 氣凝膠電極的 QMSCs 表現出高面積電容 (409.3 mF cm
-2
)，具有優異的功率密度和能量密度。
相關論文以題為
Metal Ion-Induced Assembly of MXene Aerogels via Biomimetic Microtextures for Electromagnetic Interference Shielding, Capacitive Deionization, and Microsupercapacitors
發表在《
A
dvanced Energy Materials
》上。
【主圖導讀】
圖1
受
Phrynosomacornutum 啟發的 MXene 微紋理具有高水傳輸速度和卓越的儲水能力。
圖2
用于可擴展制造無粘合劑
MXene 氣凝膠的仿生 MXene 組裝平臺。
展開 同濟大學陳濤: DMSO摻雜的聚合物水凝膠電解質，在?20至100°C的溫度下保留高電容的柔性超級電容器
圖
3
基于抗凍P（AMPS
0.3
-co-AAM
0.4
）水凝膠的超級電容器在室溫下的電化學性能。（a和b）基于抗凍水凝膠的超級電容器在室溫下的CV和GCD曲線。（c）不同電流密度下的超級電容器的電容。（d）在不同的柔性條件下超級電容器的各種機械變形的數字圖像。（e）在不同彎曲角度下超級電容器的電容保持率。（f）5000次彎曲后超級電容器的電容保持率。裝置在不同彎曲時間下的插入GCD曲線。
圖
4
使用P（AMPS
0.3
-co-AAM
0.4
）水凝膠的CNT/PANI電極型超級電容器的寬溫度范圍操作特性。（a）低溫和高溫下超級電容器的示意圖。（b）在不同的工作溫度下，器件在3.33 mA cm
-2
下的GCD曲線。（c）在不同工作溫度下超級電容器的比電容。（d）超級電容器在不同工作溫度下的電化學阻抗譜圖（10
?
2
至10
5
Hz）。（e）在很寬的溫度范圍內循環測試超級電容器的比電容。（f）溫度超級電容器與之前報道的其他電容器的電容保持率的比較。
圖
5
（a和b）基于串聯的抗凍P（AMPS
0.3
-co-AAM
0.4
）的三種抗凍超級電容器的GCD和CV曲線。（c）演示了三個串聯的防凍超級電容器，這些超級電容器在置于室溫，密封在
?
23.5°C并浸入84.7°C的油浴中時為LED燈泡供電。左側的光學照片表示在平坦狀態下對設備進行了測試。（d）演示設備在25°C，-19°C和97.4°C的螺旋狀態下工作（如左圖所示）。
參考文獻
：
doi.org/10.1039/D1TA02397G
版權聲明：
「高分子材料科學
」公眾號旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。
展開 南京林業大學《AFM》：超級電容器研究獲得重要進展！
超級電容器是一種儲能裝置，其特點是充放電周期快，循環壽命長，功率密度高，適合各種大功率應用。然而，由于其低能量密度和高成本限制了其大規模的商業應用，開發一種低成本的厚電極系統變得尤為必要。因此，以一種簡單、綠色的方式從厚碳電極設計具有高面積/體積能量密度的儲能裝置仍具有很大的吸引力，但仍然存在挑戰。纖維素是一種來源豐富、成本低廉的厚碳電極前驅體，通常采用化學活化劑和熱解途徑活化，以獲得較高的電化學性能。但還存在活化條件惡劣，多孔結構易坍塌，成本較高等有待解決的問題。
圖1. 基于酶解誘導的木材分級多孔結構碳厚電極制備對稱的超級電容器
本工作旨在通過纖維素酶誘導合成三維自支撐木質基厚碳電極，通過溫和、簡單和綠色的酶解處理，用于高面積/體積能量密度的超級電容器。得益于酶解誘導的木材具有高比表面積(1418 m2 g-1)、優異的分級多孔結構，以及豐富的活性位點，經酶解誘導的厚碳電極組裝成的對稱超級電容器在20 mA cm-2條件下經過15 000次長期循環后，仍可維持86.58%的電容保持率且能實現0.21 mWh cm-2/0.99 mWh cm-3的高面/體積能量密度。值得注意的是，這種設計高比表面積材料的簡單、通用策略，可為木質基材料的多功能應用提供新的研究思路與參考。
展開 電動汽車用高比能超級電容器研制成功！
近日，中國科學院電工研究所超導與能源新材料研究部承擔的北京市科委重點研發計劃項目“電動汽車用高比能超級電容器研制”通過北京市科學技術委員會組織的驗收。
經過兩年技術攻關，課題組開發出高比容量活性炭材料、高倍率負極材料體系、石墨烯復合材料等關鍵材料，并結合先進的穿孔集流體無損涂布技術和負極可控預嵌鋰技術等，成功研制出具有高能量密度和高功率密度的全炭型鋰離子電容器單體。
經輕工業化學電源研究所第三方檢測，電容器單體實際容量為2350F，基于整個單體質量的能量密度達33.6Wh/kg，功率密度達5.2kW/kg，循環1萬周容量保持率為95.2%以上，-20℃下容量保持率為89%，并組裝成容量為7.5Ah、額定電壓為64V的鋰離子電容器模組，應用在國內首輛以全炭型鋰離子電容器為唯一動力源的示范觀光車。
專家組對項目取得的成果給予了充分肯定和高度評價：“相關技術指標處于國內領先水平，已建成超級電容器中試制備平臺，具備軟包裝鋰離子電容器的批量化制備能力，軟包超級電容器可形成模組，已用于小型觀光車示范，對促進超級電容器在電動汽車上的應用具有重要意義”，專家一致認為承擔單位各項技術指標全面達到了課題任務書規定的考核指標要求，同意該課題通過驗收。（來源：電工研究所）
展開 研究人員探討π-共軛聚合物的性質 以用于金屬離子電池和超級電容器
在多功能儲能系統中，π-CPs及其改性材料，以及與納米結構金屬氧化物和碳基材料構成的復合材料，已被廣泛用作電極材料。CPs是非常有價值的材料，也是超極電容器和金屬離子電池（MIBs）的潛在候選材料，因其具有靈活性、低成本、環境友好性、結構多樣性，以及易通過納米結構設計衍生化。π-CPs作為電極材料用于存儲器件的主要缺點包括容量低、穩定性差等。
此外，在非質子電解質中π-CPs電極擊穿，會導致電池和超級電容器在放電期間容量快速衰減。迄今為止，文獻中已經發表了各種克服這些障礙的解決方案。其中包括利用有機羰基化合物制備π-CPs鹽，利用導電材料制備π-CPs共價化合物，以及利用非共價技術制備具有納米結構碳/金屬氧化物的復合材料。
孤對電子似乎具有較高的電子遷移率，據發現π-CPs中含有包括雜原子（如氧、氮、硫等）在內的孤對電子，具有較高的電導率和氧化還原活性，能夠進一步提高儲能系統的能量和功率密度。
-END-
展開 Chemical Reviews 綜述：非對稱超級電容器的設計與機理
【圖文導讀】
1、超級電容器的歷史發展歷程
超級電容器的歷史發展歷程示意圖
2.超級電容器的基礎知識
2.1超級電容器的背景及其與電池的區別
超級電容器分類圖
典型超級電容器和典型電池的電化學行為對比：（a, b）循環伏安曲線；（c, d）恒電流充放電曲線。（ESR：等效串聯電阻）
將超級電容器與電池區分開來的一個主要電化學特征是：超級電容器在恒電流充電時電壓總是存在線性增加（或放電時減?。?，電荷存儲（釋放）自超級電容器電極。在電勢掃描中，超級電容器通常顯示出與電勢無關的電容。因此，超級電容器的CV曲線應保持矩形，而在充電/放電過程中電流幾乎恒定。另一方面，電池顯示突出和分離的峰值，具有顯著的法拉第反應。超級電容器的恒電流充放電（GCD）曲線呈現具有恒定斜率值的傾斜形狀。相比之下，電池通常在恒定電壓階段表現出相對平坦的充電/放電平臺。同時，對于需要恒定輸出電壓的應用，超級電容器需要與DC-DC轉換器集成，以調節和穩定輸出電壓。
展開 
蘭州化物所在超級電容器儲能機制研究方面取得新進展
超級電容器由于其功能密度高、循環壽命長、充放電速度快、對環境無污染等優點，被廣泛應用于電動汽車、傳感器、電腦存儲器備用電源（UPS）、風力發電和太陽能發電等諸多領域。根據不同的儲能機理，超級電容器可分為雙電層電容器（EDLC）和法拉第準電容器（贗電容器）兩大類。深入理解超級電容器的電荷存儲機制對進一步提升超級電容器的性能至關重要。
中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室閻興斌研究員團隊一直致力于超級電容器的基礎和應用基礎研究。2017年，該團隊在Nature Communications上發表了關于EDLC在離子液體電解液中儲能機理的文章，該工作為研究EDLC中離子液體陰陽離子各自的儲能行為提供了新的策略（2017, 8, 2188. DOI: 10.1038/s41467-017-02152-5）。近期，該團隊與以色列Bar-Ilan大學和中國科學技術大學合作，在贗電容儲能機制研究方面又取得了新進展。
二維的陽離子嵌入型由于其獨特的二維結構而具有優異的電化學性能。研究人員利用電化學-原位拉曼、電化學-離散型石英晶體微天平（electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation monitoring, EQCM-D）和密度泛函理論（DFT）深入探究了二維陽離子嵌入型氧化錳（Na0.55Mn2O4.1.5H2O，簡稱NMO）在中性Na2SO4電解液和堿性NaOH溶液中的儲能機理。
原位拉曼的實驗結果表明：在充電過程中，NMO在中性電解液中會有一個從單斜相向更加有序的六方相轉變的過程。相比于在堿性電解液中的變化而言，NMO的層間距在中性電解液中也會明顯變寬。在堿性電解液中的高電壓區觀察到了高價錳的生成（圖1）。
展開 Today：鎳基超級電容器的研究進展
【引言】
超級電容器是一種可以緩沖風/太陽能源不穩定性的儲能裝置。超級電容器的比能量（能量密度：ED）和比功率（功率密度：PD）結合了傳統電容器和電池的優點。超級電容器和電池的相似性包括：1）在電極/電解質界面處存儲能量；2）離子傳輸和電子傳輸。電池和超級電容器的差異性自由能：電池是單電子自由能，而超級電容器是連續自由能變化。在電池中，化學反應釋放可以被收集到電路；而在超級電容器中，電荷主要以靜電方式存儲。超級電容器具有功率高、充放電速度快，循環壽命長，成本低廉等一系列優勢，其應用前景廣闊。但是超級電容器的性能與電極材料密切相關，如何設計和制備出高性能的電極材料，直接決定了超級電容器的性能。本文選取鎳基材料為基礎，綜合分析了鎳基材料在超級電容器上的應用。
【成果簡介】
近日，中國武漢理工大學的余家國（通訊）作者等人，總結了鎳基材料的最新研究進展；討論了鎳基材料的制備和性能改進等重要問題；分析了協同效應的根本原因；列舉了面臨的挑戰和可能解決方案。最后，對鎳基材料的未來發展提出了一些新的看法。相關成果以“Nickel-based materials for supercapacitors”為題發表在Materials Today上。
【圖文導讀】
圖 1 常見電化學儲能裝置的Ragone圖
圖 2 超級電容器的優勢
圖 3 不同電容器的原理示意圖
（a）靜電電容器;
（b）雙電層電容器;
（c）贗電容器;
（d）鋰離子電容器的示意圖。
展開 南開大學牛志強團隊Nano Energy：可拉伸微型超級電容器
【圖文導讀】
圖1 可拉伸集成系統
（a）可拉伸集成系統制備示意圖；
（b）可拉伸微型超級電容器200%應變下的實物圖；
（c）可拉伸微型超級電容器無應變下的實物圖；
（d）無應變下， PDMS基底上褶皺SWCNT膜微電極SEM圖；
（e）不同應變下，褶皺SWCNT膜微電極、平整SWCNT膜微電極、PDMS基底上TiO2納米顆粒負載的SWCNT褶皺復合膜微電極的歸一化電阻。
圖2 可拉伸微型超級電容器電化學性能
（a）不同掃速下，可拉伸超級電容器的CV曲線；
（b）無應變與200%應變情況下，微型超級電容器放電電流密度與掃速的關系圖；
（c）無應變、100%應變、200%應變下，可拉伸微型超級電容器10 V s-1下的CV曲線；
（d）可拉伸微型超級電容器不同應變下的比電容；
（e）可拉伸微型超級電容器不同應變下的Nyquist阻抗曲線；
（f）可拉伸微型超級電容器不同應變下相角相對于頻率關系圖。
圖3 微型超級電容器集成系統性能
（a）單個微型超級電容器與四個微型超級電容器集成器件在10 V s-1下的CV曲線（插圖為器件結構示意圖）；
（b）單個微型超級電容器與四個微型超級電容器集成器件在1.5 μA cm-2 下的恒電流充放電曲線；
（c）不同應變下，微型超級電容器集成器件的比電容；
（d）相角相對于頻率關系圖。
圖4 紫外探測可拉伸微型超級電容器集成系統性能
（a）可拉伸集成系統實物圖片；
（b）不同應變下，集成系統作為光電探測器的光電流響應曲線；
（c）不同應變下，集成系統的靈敏度與比電容；
（d）光電探測原理圖；
（e）循環拉伸100次前后，集成系統光電響應圖；
（f）不同拉伸次數時，集成系統的靈敏度和比電容。
展開 安徽大學《ESM》：微型鋅離子超級電容器領域取得重要進展！
近日，安徽大學物理與材料科學學院吳明在教授和胡海波教授在可拉伸柔性微型鋅離子超級電容器領域取得重要研究進展。此項研究工作展示了一種簡單有效的策略,促進了高性能離子超級電容器的發展。相關研究成果以“Synchronously manipulating Zn2+ transfer and hydrogen/oxygen evolution kinetics in MXene host electrodes toward symmetric Zn-ions micro-supercapacitor with enhanced areal energy density”為題發表在國際知名期刊《Energy Storage Materials》上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.04.047
二價電荷的離子(如Zn2+)由于尺寸更大、庫侖相互作用更強，在MXene電極內擴散遲緩，這是開發更高能量密度的MXene基微型超級電容器(MSCs)的一個重要挑戰。
基于此，吳明在教授和胡海波教授合作設計并制備了MXene/細菌纖維素纖維復合薄膜，有效地拓寬了MXene片之間的離子傳輸通道，降低Zn2+在電極內的擴散屏障。同時，結合“反催化策略”抑制電極內HER/OER反應動力學，將工作電壓提高到1.2 V，極大地提高了面積能量密度。此外，基于液態金屬電路，開發了一種可拉伸ZMSCs陣列，實現電壓和能量可控輸出，同時實驗表征和理論計算相互驗證，有力證明了可拉伸ZMSCA結構設計的合理性和有效性。
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