近日，四川大學(xué)青年教師吉俊懿副教授帶領(lǐng)的新能源材料課題組在能量存儲器件研究方面取得重要進展，相關(guān)成果“Construction of Vertically Aligned PPy Nanosheets Networks Anchored on MnCo2O4 Nanobelts for High-Performance Asymmetric Supercapacitor”發(fā)表于國際知名期刊《Journal of Power Sources》上（Elsevier旗下的能源類老牌期刊， 2016年影響因子6.395）。該論文第一作者為四川大學(xué)beat3652016級碩士生王飛飛，beat365吉俊懿副教授為該論文的通訊作者。
近年來，利用和開發(fā)高端儲能裝置成為重要的研究熱點課題。作為一種新型的儲能裝置，超級電容器由于其高功率密度和長循環(huán)壽命引起了人們的極大興趣。而相對于雙電層電容，利用金屬氧化物的電化學(xué)氧化還原反應(yīng)存儲能量的贗電容可以提供更高的能量密度。多元過渡金屬氧化物NM2O4（M或N = Mo，Co，F(xiàn)e，Mn等）被認為是具備潛力的新一代儲能材料，因為它們具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、不同元素的協(xié)同效應(yīng)和環(huán)境適應(yīng)性，其中鈷酸錳因其理論電容高（約3619 F g-1）、成本低和自然豐度高等優(yōu)點逐漸引起人們的重視。然而，純鈷酸錳材料的實際容量遠低于其理論值，這可能與其電子傳遞阻力大和活性材料利用率低有關(guān)。
導(dǎo)電聚合物聚吡咯（PPy）可以作為超級電容器中的導(dǎo)電劑和活性材料。與碳基導(dǎo)電納米材料相比，PPy層不僅可以物理包附金屬氧化物，也可以通過原位聚合生長為三維結(jié)構(gòu)。包附的三維PPy連續(xù)結(jié)構(gòu)可以形成到多孔活性材料內(nèi)表面的高電子途徑，從而提高電子的傳輸速率。另一方面，PPy涂層厚度的增加會增加離子擴散阻力，因此在電子和離子傳輸速率之間會出現(xiàn)“Trade-Off”效應(yīng)。因此，合適的PPy結(jié)構(gòu)設(shè)計和可控合成仍然是制造高性能電極的一個挑戰(zhàn)。
圖1. a) PPy@MnCo2O4/GNF復(fù)合材料合成圖；b) 電子/離子遷移路徑示意圖。
吉俊懿副教授課題組針對這一問題，特異性設(shè)計了一種具有交叉網(wǎng)絡(luò)片結(jié)構(gòu)的PPy包裹層，首次報道了垂直交叉片式PPy@MnCo2O4納米帶復(fù)合材料。在聚合反應(yīng)過程中，摻雜劑對甲苯磺酸可以部分蝕刻MnCo2O4納米帶，同時解離的Mn/Co離子可以充當(dāng)交聯(lián)劑構(gòu)建三維的PPy納米結(jié)構(gòu)。垂直排列的PPy納米片網(wǎng)絡(luò)可以轉(zhuǎn)移電子到MnCo2O4納米帶，而由納米片包圍的納米孔洞可以儲存電解質(zhì)，同時MnCo2O4表界面更薄的PPy能夠降低離子遷移距離，從而提升活性物質(zhì)利用效率。PPy@MnCo2O4/GNF復(fù)合材料在1 A g-1的電流密度下具有2364 F g-1的最高比電容，具有較高倍率性能（當(dāng)電流密度為50 A g-1時，具備55.2％的電容保持率）和循環(huán)穩(wěn)定性（1000次循環(huán)后的電容保持率為85.3％）。此外，以PPy@ MnCo2O4/GNF和a-MEGO為正極和負極組裝的不對稱超級電容器結(jié)構(gòu)在6 M KOH水溶液中顯示最高的能量密度為25.7 W h kg-1，功率密度為16.1 kW kg-1。因此，通過該理性結(jié)構(gòu)設(shè)計的PPy包附提高金屬基材料的電化學(xué)性能可能對下一代儲能電極的設(shè)計提供借鑒作用。
圖2. a-f) 不同濃度PPy包裹的MnCo2O4/GNF復(fù)合材料SEM圖；b) PPy@MnCo2O4納米片表界面PPy垂直交叉片TEM圖。
該項研究得到了國家自然科學(xué)基金項目（21506130，21490582，21776187）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費、高分子材料工程國家重點實驗室自主課題經(jīng)費資助（sklpme2017-3-01）等項目資助。
原文連接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304816
高敏 吉俊懿 撰稿
鈕大文 審核
高敏 編輯
2018年5月14日
