吴忠帅: 全固态柔性平面型锂离子微型电容器

dayige

电子产品的智能化和微型化极大地推动了微型电化学储能器件的发展。构建在单一基底上的平面微型超级电容器（MSCs）具有高功率密度，超长使用寿命，环保和免维修等优点，成为具有强烈竞争力的微型化电源之一。MSCs能提供比电解电容器更高的能量密度和比锂薄膜电池更高的功率密度。迄今为止，MSCs的研究主要致力于开发各种电极材料来提高其电化学性能，例如碳化物衍生碳、洋葱状碳、碳纳米管、石墨烯、MoS2、MXene、金属氧化物（RuO2、MnO2等）和导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯等）。然而，大多数报道的MSCs仍然存在体积能量密度低，远低于锂薄膜电池，而且MSCs存在高温稳定性差，机械柔性不足以及集成度低的缺点。锂离子电容器（LICs）将锂离子电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度的优点结合起来。然而，所报道的LICs均是通过在两个电极基底之间夹入聚合物隔膜或固态电解质，而非平面几何构型器件。目前在一个基底上构筑平面锂离子微型电容器（LIMCs）还未见报道。

近日，中科院大连物化所吴忠帅研究员、包信和院士和清华大学深圳研究生院贺艳兵副教授合作，在国际上率先报道了一种具有高体积能量密度、优异的高温稳定性和安全性、优异的机械柔性以及高度集成化的平面交叉指型全固态锂离子微型电容器（表示为LTO//AG-LIMCs）。LTO//AG-LIMCs以高导电的石墨烯为集流体，碳包覆的LTO纳米球作为负极和活化石墨烯（AG）作为正极，高电压离子凝胶作为电解质。LTO//AG-LIMCs直接通过掩模辅助逐层过滤沉积电化学剥离石墨烯（EG）和电极材料，得到具有不对称交指型微电极LTO-EG负极和AG-EG正极。由此得到的EG/LTO-EG/EG和EG/AG-EG/EG层状交替结构电极表现出很好的均匀性，优异的机械柔韧性，高导电性（负极450 S cm-1，正极100 S cm-1）。LTO//AG-LIMCs对柔性基底具有强的粘附性，并且不含金属集流体，传统隔膜和聚合物粘合剂。值得注意的是，LTO//AG-LIMCs具有超高的体积能量密度53.5 mWh cm-3，高于AG//AG-MSCs（18.1 mWh cm-3）、锂薄膜电池和目前报道的微型超级电容器。此外，LTO//AG-LIMCs具有优异的循环稳定性，6000次循环后电容保持率为98.9％；具有高温电化学稳定性，能在80 oC下稳定运行；并且具有优异的机械柔性性，在各种弯曲和扭曲下性能没有衰减。此外，该锂离子微型电容器表现出良好的自集成化模块能力，无需金属连接体，能够有效调控输出的工作电压和容量。因此，该工作为开发柔性化、小型化、智能化储能器件提供了新的思路和策略。相关研究成果“All-Solid-State Flexible Planar Lithium Ion Micro-Capacitors”为题发表在Energy & Environmental Science上。