我所研制出高电压钾离子微型超级电容器及其压力传感微系统

  近日,我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员团队,开发出一种基于MXene衍生钛酸钾负极材料的高电压钾离子微型超级电容器,并以此构建出微型超级电容器—压力传感器的集成微系统。

  为适应柔性、可穿戴、可植入微电子的快速发展,需要发展具有高性能、机械稳定性和高兼容集成度的微型储能器件。微型超级电容器由于超高的功率密度、快速的充放电速率和长寿命,在微电子领域有着重要的发展潜力。然而,微型超级电容器仍存在能量密度较低和电位窗口较窄等问题。杂化金属离子微型超级电容器同时结合了电池型负极和超级电容型正极的优点,可同时实现高能量密度和高功率密度。在众多金属离子中,钾资源丰富且钾的还原电位低(-2.93 V vs.SHE)。此外,钾离子在非水电解质中具有较弱的溶剂化效应和较小的斯托克斯半径,有助于提高钾离子转移数和离子导电性。但是,钾离子微型超级电容器的关键材料与器件合理设计仍然存在挑战。

  本工作中,该团队发展了同时氧化和碱化MXene(Ti3C2)策略,制备出新型钛酸钾纳米棒材料,具有较大的长径比和离子扩散系数,以及较高的储钾比容量(145mAh/g)。该工作以钛酸钾为负极,活化石墨烯为正极,结合高电压的离子液体凝胶电解液,构建出新型钾离子微型超级电容器,具有3.8V的高电压窗口,优于先前报道的微型超级电容器。由于赝电容占主要贡献且充放电过程中电极体积变化小,该钾离子微型超级电容器具有优异的倍率性能和循环性能,同时体积能量密度达到34.1mWh/cm3。此外,该钾离子微型超级电容器在同一柔性基底上与压力传感器兼容集成可以灵敏地监测身体运动。该工作不仅为高性能微型超级电容器的设计提供了新的思路,还为微型超级电容供电柔性电子器件提供了一个范例。

  相关研究成果以题为“High-Voltage Potassium Ion Micro-Supercapacitors with Extraordinary Volumetric Energy Density for Wearable Pressure Sensor System”发表在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上。该工作的第一作者是我所508组郑双好副研究员和博士研究生马佳鑫。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院洁净能源创新研究院合作基金、辽宁省中央引导地方专项等项目的资助。(文/图 郑双好、马佳鑫)

  论文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202003835

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