鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1956次 | 2021年11月26日
固態(tài)電池后 固態(tài)超級(jí)電容器也問(wèn)世了
中科院福建物構(gòu)所的王要兵教授和徐剛教授合作，首次提出了一種制作導(dǎo)電金屬有機(jī)框架納米線陣列的方法，并將其用作固態(tài)超級(jí)電容器的電極材料。此方法將金屬有機(jī)框架材料可控生長(zhǎng)在碳纖維紙上形成晶體納米線陣列，進(jìn)而直接用作超級(jí)電容器的復(fù)合電極。
超級(jí)電容器由于具有高功率密度，能夠快速充放電，循環(huán)性能好，因而成為最有前景的下一代能量?jī)?chǔ)存裝置之一。相比于液態(tài)電解質(zhì)超級(jí)電容器，固態(tài)超級(jí)電容器更小、更輕，并且更加容易操作，性能更可靠，安全性也更佳，可以在大溫度范圍內(nèi)使用。
它廣泛應(yīng)用在可穿戴設(shè)備及微型電子器件上。為此，人們開(kāi)發(fā)了很多電容性材料，例如過(guò)渡金屬氧化物、碳同素異形體和導(dǎo)電聚合物等。其中，作為一種新興電極材料，由金屬位點(diǎn)和有機(jī)連接基團(tuán)構(gòu)成的金屬有機(jī)框架材料越來(lái)越受到關(guān)注。
由于具有相當(dāng)大的比表面積（>7000m2/g)，它可以大量地從電解質(zhì)溶液中吸收離子進(jìn)而獲得很大的雙電層電容。另外，這種材料具有很好的結(jié)構(gòu)可調(diào)性，方便合理控制孔的大小和排列。然而，傳統(tǒng)金屬有機(jī)框架材料的弱導(dǎo)電性限制了其在超級(jí)電容器電極材料方面的應(yīng)用。
最近，中科院福建物構(gòu)所的王要兵教授和徐剛教授合作，首次提出了一種制作導(dǎo)電金屬有機(jī)框架納米線陣列的方法，并將其用作固態(tài)超級(jí)電容器的電極材料。此方法將金屬有機(jī)框架材料可控生長(zhǎng)在碳纖維紙上形成晶體納米線陣列，進(jìn)而直接用作超級(jí)電容器的復(fù)合電極。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
這種材料（Cu-CAT）由于具有納米結(jié)構(gòu)、高孔隙率和優(yōu)良的導(dǎo)電性能，因而擁有超級(jí)電容器金屬有機(jī)框架材料領(lǐng)域迄今為止所報(bào)道的最大面積電容和最佳倍率性能。本項(xiàng)工作以"ConductiveMetal–OrganicFrameworkNanowireArrayElectrodesforHigh-PerformanceSolid-StateSupercapacitors"為題于五月二十六日發(fā)表在期刊Adv.Funct.Mater上。
1.Cu-CAT的晶體結(jié)構(gòu)及顯微圖像
(a)沿c軸看到的Cu-CAT晶體結(jié)構(gòu)。
(b)碳纖維紙的SEM圖像和光學(xué)照片（見(jiàn)小圖）。
(c-d)生長(zhǎng)在碳纖維紙上的Cu-CAT納米線陣列的SEM圖像和光學(xué)照片（見(jiàn)c中小圖）。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
沿c軸方向，Cu-CAT有開(kāi)口約為1.8nm的一維通道。當(dāng)碳纖維紙被Cu-CAT納米線陣列覆蓋后，顏色由灰色變成深綠色。獲得的納米線呈均一的六棱柱形，頂部是六邊形晶面。
2.Cu-CAT納米線的TEM及比表面積表征
(a-b）Cu-CAT納米線的TEM圖像(小圖是SAED圖案)。
(c)Cu-CAT的PXRD曲線。
(d)77K下Cu-CAT的氮?dú)馕降葴鼐€曲線。
TEM表征結(jié)果表明納米線是單晶體，納米線沿著[001]方向生長(zhǎng)。氮?dú)夂退魵馕浇Y(jié)果說(shuō)明Cu-CAT具有微孔結(jié)構(gòu)，比表面積是540m2g-1。
3.三電極體系中Cu-CAT納米線陣列電極的電化學(xué)性能
（a）電極在不同掃速下的CV曲線。
（b）電極在不同電流密度下恒電流充放電曲線。
（c）循環(huán)性能。
（d）比電容隨倍率的變化。
（e）奈奎斯特電化學(xué)阻抗譜。
（f）不同金屬有機(jī)框架材料電極比電容的比較。
當(dāng)電流密度從0.5Ag-1提高到10Ag-1時(shí)，比電容變?yōu)樵瓉?lái)的66%（從202Fg-1降到134Fg-1）。在8000mVs-1掃速下掃描5000圈，電容仍能保持原來(lái)的80%。
測(cè)試表明，Cu-CAT納米線陣列的性能要好于粉末電極，而且前者的歐姆電阻和電荷傳遞電阻都要明顯小于后者。不同金屬有機(jī)框架材料比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不加導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，傳統(tǒng)材料中ZIF-67的比電容值最大，為0.133Fg-1，但仍比Cu-CAT粉末小260倍。
4.基于Cu-CAT納米線陣列的超級(jí)電容器性能測(cè)試
（a）不同掃速下的CV曲線。
（b）不同電流密度下的恒電流充放電曲線。
（c）循環(huán)性能。
（d）基于Cu-CAT納米線陣列和碳材料的對(duì)稱固態(tài)超級(jí)電容器性能比較。
（e）Cu-CAT納米線陣列和Cu-CAT粉末的倍率性能比較。
（f）左圖：固態(tài)超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)；右圖：三個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)點(diǎn)亮紅色LED燈的照片。
基于Cu-CAT納米線陣列的固態(tài)超級(jí)電容器有很好的循環(huán)穩(wěn)定性，在50mVs-1掃速下掃描5000圈后仍能保持超過(guò)85%的電容。測(cè)試得到裝置的面積電容約為22μFcm-2，超過(guò)了基于活性炭和單壁碳納米管的對(duì)稱固態(tài)超級(jí)電容器，和石墨烯基對(duì)稱固態(tài)超級(jí)電容器相當(dāng)。
當(dāng)電流密度從0.25Ag-1提高到5Ag-1時(shí)，Cu-CAT粉末構(gòu)建的電容器電容僅為原來(lái)的23%，而相同情況下，Cu-CAT納米線陣列構(gòu)建的電容器電容維持為原來(lái)的55%。
【小結(jié)】
本項(xiàng)工作在不加導(dǎo)電物質(zhì)和結(jié)合物的情況下，首次合成了有序?qū)щ娊饘儆袡C(jī)框架納米線序列，并將其用于高性能固態(tài)超級(jí)電容器。構(gòu)建的超級(jí)電容器面積電容約為22μFcm-2，高于以前基于傳統(tǒng)導(dǎo)電金屬有機(jī)框架材料和大部分多孔碳的超級(jí)電容器。
通過(guò)改變形貌，本成果獲得的導(dǎo)電金屬有機(jī)框架材料的電化學(xué)性能得到大大提高，將來(lái)可以廣泛應(yīng)用于能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域。
