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近日，中科院蘇州納米所邸江濤研究員等與佐治亞理工學(xué)院Ching-ping Wong教授合作，設(shè)計(jì)并制備了鋅摻雜氧化銅納米線（Zn-CuO）三維陣列結(jié)構(gòu)，為電化學(xué)活性物質(zhì)MnO2提供導(dǎo)電支架，獲得高負(fù)載的MnO2納米片材料。將生長(zhǎng)在銅線表面的Zn-CuO@MnO2材料用于同軸非對(duì)稱纖維型超級(jí)電容器正極材料，獲得了高的比容量及寬的工作電壓窗口。

相關(guān)成果以“Atomic Modulation 3D Conductive Frameworks Boosts Performance of MnO2?for Coaxial Fiber-Shaped Supercapacitors”為題發(fā)表在期刊Nano-Micro Letters，2021, 13, 4。論文第一作者為蘇州納米所助理研究員王曉娜博士，通訊作者為邸江濤研究員、李清文研究員及Ching-ping Wong教授。?

同軸非對(duì)稱纖維型器件具有體積小、便攜、工作窗口大等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為在未來(lái)柔性可穿戴及微型的電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而目前，同軸非對(duì)稱纖維器件仍然存在能量密度低，電極材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限性等問(wèn)題限制其進(jìn)一步應(yīng)用。二氧化錳由于其高的理論容量、低成本、低毒性和環(huán)境友好等特性被認(rèn)為是優(yōu)異的電化學(xué)活性材料。然而二氧化錳材料低的導(dǎo)電性和易于團(tuán)聚的問(wèn)題導(dǎo)致了其有限的比容量和功率密度。

為了解決以上問(wèn)題，中科院蘇州納米所李清文研究員團(tuán)隊(duì)與佐治亞理工學(xué)院Ching-ping Wong教授團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)并制備了Zn-CuO@MnO2納米線陣列電極。并使用Zn0.11CuO@MnO2作為核電極（正極），生長(zhǎng)在碳納米管薄膜上的VN納米線陣列作為負(fù)極包覆在核電極表面組裝同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器。?

蘇州納米所邸江濤研究員等在高性能柔性儲(chǔ)能器件領(lǐng)域取得新進(jìn)展

圖1. （A-F）同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器制備示意圖。(G) 同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器截面示意圖。

Zn-CuO納米線通過(guò)一步法原位生長(zhǎng)在銅線表面，為MnO2提供導(dǎo)電支架和沉積基底。Zn摻雜進(jìn)入CuO晶格提高了CuO的導(dǎo)電性，改進(jìn)了MnO2納米片在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中與導(dǎo)電基底之間有效的電子傳輸。同時(shí)，與其他導(dǎo)電支架比較，Zn-CuO納米線也為復(fù)合電極貢獻(xiàn)了部分容量。通過(guò)摻雜不同含量的Zn，最后獲得導(dǎo)電性和比容量最佳的Zn0.11CuO納米線材料。它能夠負(fù)載MnO2的質(zhì)量高達(dá)12.4 mg/cm2，使得電極也獲得了高的面積比容量（4.26 F/cm2）。?

圖2.?（A-B）CuO, CuO@MnO2, Zn0.11CuO and Zn0.11CuO@MnO2電極電化學(xué)充放電曲線及比容量與壓降圖。（C）MnO2負(fù)載量與沉積時(shí)間的關(guān)系。（D-E）Zn0.11CuO@MnO2電極在不同MnO2負(fù)載量時(shí)面積和質(zhì)量比容量的關(guān)系。（F）Zn0.11CuO@MnO2電極循環(huán)穩(wěn)定性。?

這個(gè)同軸非對(duì)稱器件的工作電壓能夠達(dá)到1.8 V，比容量為296.6 mF/cm2，能量密度為133.5 mWh/cm2 （功率密度為0.9 mW/cm2)。值得關(guān)注的是，與其他同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器比較，本工作中制備的器件的能量密度和功率密度明顯優(yōu)于其他同類器件。為了進(jìn)一步驗(yàn)證其在可穿戴柔性器件領(lǐng)域的應(yīng)用，我們也考察了同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器在不同彎曲條件下的電化學(xué)穩(wěn)定性。

結(jié)果顯示在不同的彎曲條件下，器件充放電曲線沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明其在外力形變狀態(tài)下，具有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性及循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)這種同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器也能點(diǎn)亮一個(gè)2V的LED小燈泡并能維持60s。本項(xiàng)工作的發(fā)表為纖維型儲(chǔ)能器件在柔性可穿戴領(lǐng)域的發(fā)展提供了進(jìn)一步的可能性。??

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?圖3 (A) 同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器在不同彎曲狀態(tài)下的光學(xué)圖片。?(B)?在1-3彎曲狀態(tài)下，同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器的充放電曲線。?(C)?在90度彎曲狀態(tài)下，器件的充放電循環(huán)測(cè)試。(D)同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器在便攜式可穿戴領(lǐng)域展示出潛在的應(yīng)用前景。

文章來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所

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