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河北工業大學材料科學與工程學院Miaoxin Zhang等--雙活性和動力學相互促進的Li3VO4/石墨烯陽極實現可印刷高能密度鋰離子微電容器
       具有高能量/功率密度和長循環壽命的平面微型超級電容器(MSCs)有望加速未來可穿戴小型化電子設備的發展。然而,它的低能量密度問題總是跟不上不斷增長的單位能耗的需求。為此,設計了一種雙活性和動力學相互促進的Li3VO4(LVO)/石墨烯復合材料作為高能量密度鋰離子微電容器(LIMCs)的陽極。通過原子層預淀積(ALD)技術將LVO納米顆粒均勻地限制在石墨烯納米片上,大大分散了LVO的成核位置,阻礙了其連續固相形成過程中的粗晶生長。LVO和石墨烯襯底在LIMCs的叉指電極上具有足夠的擴散空間,其反應動力學得到了極大的促進,協同促進了鋰離子的三維高效存儲行為。LVO/石墨烯表現出非凡的儲能速率(98.5mAh g-1,在40A g-1 (100C)時)和長期穩定性。所有的集流器和不對稱的叉指電極都是噴印的,為LIMCs的大規模生產開創了一種簡便而精細的技術。LIMCs具有51.4MWh cm-3的優異體積能量密度、出色的柔韌性和循環穩定性,展示了未來小型化、柔性化和高性能儲能設備的巨大潛力。
 
  
圖1. 電極和LIMCs的制備示意圖:(a)ALD工藝結合固態燒結法制備LVO/石墨烯納米復合材料,作為陽極;(b)叉指電極的噴印和基于離子凝膠電解質的LIMCs的組裝;(c) AC 與MXene混合作為陰極。
 

圖2. ALD-VO-1和ALD-LVO-1的結構表征和微觀結構:(a)XRD圖譜;(b)拉曼光譜;(c)ALD-LVO-1的V2p光電子能譜(XPS);(d)氮吸附-脫附等值線;(e)ALD-VO-1的TEM圖像,插圖:SAED圖;(f)C,O,V的元素映射;(g,h)ALD-LVO-1的TEM圖像,插圖:SAED圖;(i)C、O、V的元素映射。
 

圖3. 硬幣型半電池的電化學性能評價及其機理:(a)重量倍率性能;(b)與其他報道的重量倍率性能的比較;(c)體積倍率性能;(d)0.2mV s-1掃描速率下CV曲線中的電容貢獻;(e)不同掃描速率下擴散和電容能力的貢獻比;(f)循環性能和庫侖效率;(g)原位XRD圖譜;(h)非原位拉曼光譜和(i) ID/IG比。
 
 
圖4. 基于AC陰極和ALD-LVO-1陽極的LICs在硬幣型電池中的電化學性能優化:(a) LICs的示意圖;(b)在0.2mg-1的電流密度下,陰極、陽極和LICs全電池的工作電壓范圍;(c) LICs的GCD曲線;(e)Ragone曲線圖;(f)在1A g-1的電流密度下的循環性能和庫侖效率。
 

圖5. LIMCs的電化學評價:(a) LIMCs器件的照片;(b)噴印叉指電極的SEM圖像;(c,d)陽極和陰極的SEM圖像俯視圖;(e)不同掃描速率下的CV曲線;(f)串聯或并聯的兩個LIMCs構件在5 mV s-1掃描速率下的CV曲線;(g)串聯的兩個LIMCs構件的GCD曲線;(h) 在電流密度為0.02 mA cm-1 時的循環性能和庫侖效率。(i)在不同彎曲角度下測量的LIMCs的CV曲線,插圖:LIMCs彎曲的照片;(j)Ragone曲線圖;(k)由兩個LIMCs串聯驅動的柔性數字手表的照片。

       相關研究成果由河北工業大學材料科學與工程學院Miaoxin Zhang等于2021年發表在Energy Storage Materials (https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.09.02)上。原文:Dual Active and Kinetically Inter-Promoting Li3VO4/Graphene Anode Enabling Printable High Energy Density Lithium Ion Micro Capacitors。

轉自《石墨烯研究》公眾號

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