西安交大：激光辅助构建分层排列的碳纳米管的柔性超级电容器

成果简介

电化学储能是清洁和可持续能源供应的关键技术。在这方面，超级电容器（SC）由于其优异的性能，包括高功率密度和长循环寿命，最近受到了相当多的关注。然而，活性材料与基板之间的结合强度差、活性材料负载量低、比电容小等问题阻碍了器件整体性能的提升。本文，西安交通大学熊礼龙副教授，杜显锋教授团队在《Adv. Funct. Mater》期刊发表名为“Ultrahigh-Areal Capacitance Flexible Supercapacitors Based on Laser Assisted Construction of Hierarchical Aligned Carbon Nanotubes”的论文，研究了一种基于铝微网格的分层垂直排列碳纳米管 (VACNTs) 的超高面积电容柔性 SC。

结果显示，基于 Al 微网格的 VACNTs 表现出超高负载（13 mg cm -2)，并且制造的 VACNTs 电极显示出出色的电化学性能，包括在 13 mA cm -2的电流密度下令人印象深刻的 1,300 mF cm -2面电容和出色的稳定性，在 20,000 次循环后保持率为 90% 130 mA cm -2 的电流密度。

此外，当以Na2SO4-PVA凝胶为电解质组装成准固态SC时，分级VACNT电极表现出优异的机械柔性。同时，该器件的电容在不同角度甚至180 °下都几乎不变。这项研究证明了基于铝微网格的分层 VACNT 作为高性能柔性和可穿戴储能设备的电极的巨大潜力。

图文导读

图1、在激光蚀刻铝集流体上从 CVD 生长的 VACNT 制备 SC 的示意图制造流程

图2.a) 激光蚀刻后的铝微网格和微米级微网格的 SEM 图像，蚀刻微网格之间的间距为 ≈45 µm。

b) 在微网格上生长的 VACNT 表面形貌的 SEM 图像。

c) 低倍放大率下激光蚀刻铝基板上 VACNT 的横截面 SEM 图像。

d) 在高倍放大的激光蚀刻铝基板上生长的 VACNT 顶端的 SEM 图像。

e) (c) 中标记区域在高倍放大下的结构和形态。

f）在高倍率激光蚀刻后在微网格内生长的 VACNT 的形态（即（e）中的标记区域）。

g) 低放大倍数和 h) 高倍放大倍数下，激光蚀刻铝基板上制备的 VACNT 的 TEM 图像表明原子层间距离约为 0.33 nm。

图3、有机电解质中基于 VACNT 的 SC 的电化学表征

图4、EDL SCs 的机理图，a) 传统碳材料，b) 铝基 VACNT，和 c) 激光蚀刻铝基 VACNT 作为电极材料。d) 分层激光蚀刻铝基 VACNTs 纳米结构的示意图。e) 单个微网格中 VACNT 的结构。

图5、a) 典型结构图和 b) 基于 VACNT 的柔性 EDLC 的光学图像。PVA-Na 2 SO 4凝胶电解质中基于 VACNTs 的 SCs 的电化学表征：c,d) 在 50、70、100、300、500、1000 mV s 扫描速率下测量的基于 Al 微栅的 VACNTs 电极的 CV 曲线-1，分别。e) 在 2 至 7 mA cm -2范围内的不同电流密度下的 GCD 曲线。f) 来自基于 VACNT 的灵活 SC 的 Nyquist 图。g) 柔性 SC 在 30°、60°、90°、120° 和 180° 不同弯曲角度下的电容保持率。h) 50 mV s -1 时的CV 曲线不同弯曲角度下基于 VACNT 的柔性 SC。i) Ragone 图显示了基于分层 VACNT 的柔性 SC 的能量和功率密度的关系，并与其他报道的文献进行了比较。j) 激光蚀刻的基于铝的 VACNT 柔性 SC 在 2 mA cm -2的电流密度下循环 6000 次循环稳定性测试。

小结

总之，已经通过简单的激光蚀刻和 CVD 方法为柔性 SCs 设计和制造了一种新型的基于 Al 微网格的分层 VACNT 电极。与传统的随机分散电极材料相比，基于铝微栅的 VACNT 提供更高的活性材料负载量和优异的电化学性能。该研究为开发具有 VACNTs 基电极材料的高性能柔性储能设备提供了途径。

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202104531