具有超高面积能量密度和长期耐用性的锌离子混合微型超级电容器外文翻译资料

 2022-08-09 10:19:32

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

具有超高面积能量密度和长期耐用性的锌离子混合微型超级电容器

芯片型微型超级电容器（MSC）作为微型设备中的具有希望的高功率候选器件，通常表现出高功率密度，大充电/放电速率和长循环寿命。但是，对于大多数已报道的MSC，面能量密度（lt;10 micro;Wh cm-2）不令人满意，仍然阻碍了它们的实际应用。本文展示了具有超高的面能量密度和长期耐久性的新型Zn离子混合MSC。得益于电容器型活性炭阴极上的快速离子吸附/脱附以及电池型电沉积Zn-纳米片阳极上可逆的Zn剥离/沉积，所制造的Zn离子混合MSC在0.16 mA cm-2处具有1297 mF cm-2的显著面积电容（在电流密度为0.05 A g-1时为259.4 F g-1），极高的面能量密度（在0.16 mW cm-2时为115.4 micro;Wh cm-2）和极好的循环稳定性——在10000个周期后没有明显的衰减。这项工作将启发基于新颖的器件设计的新型高性能微能器件的制造和开发。

如今，便携式和植入式电子产品的开发集中在微型化，长寿和高速启动上，从而进一步刺激了对高性能微型化能量存储设备（MESD）的巨大需求。在这些MESD中，新兴的平面内微型超级电容器（MSC）由于其超高的功率密度，快速的倍率能力和出色的循环寿命而被视为有前途的电源之一。到目前为止，已开发出多种活性材料，例如碳质材料，过渡金属氧化物，氢氧化物，二硫化物， MXenes和导电聚合物，达到良好的整体电化学性能，尤其是石墨烯基杂化物。由于片上电子设备中MSC的占用空间有限，因此应基于面积而不是按体积或质量来计算性能。但是，上述大多数已报道的MSC仍具有不满足的面能量密度（lt;10 micro;Wh cm-2），这阻碍了它们的实际应用。

通常，由于表面介导的离子扩散，超级电容器(SCs)提供快速的充电/放电能力（高功率密度）。可充电电池(RBs)依靠块体形式的活性材料的可逆氧化还原反应来存储电荷。结果,RBs具有高得多的比能量密度，但是它们通常表现出不足的功率密度，这归因于在固体电极材料中的缓慢的离子扩散速率。因此，构建具有电池型阳极电极和电容器型阴极电极的混合超级电容器一直是获得RBs和SCs优点的诱人策略。在这方面，基于单价阳离子（Li ，Na 和K ）和多价阳离子（Mg2 ，Zn2 ，Ni2 ，Ca2 和Al3 ）的混合SCs已被视为研究热点。组装混合MSC可以提供一种有效的方法来克服MSC中当前低能量密度的瓶颈。尽管具有这些优点和巨大的研究兴趣，但是由于在利用各种电极材料的微器件处理中难以实现非对称配置，对混合型MSC的研究仍然具有挑战性。与基于单价阳离子的设备相比，多价设备对空气的敏感性较低，适合实际应用。到目前为止，还没有关于片上电子器件的基于多价离子的面内MSC的报道。

图1.

a）Zn-离子混合MSC的制造过程示意图：i）将金叉指集电器图案化到干净的基板上； ii）在叉指之间及其周围建立光刻胶隔离层； iii）电沉积锌纳米片作为阳极材料，并注入含有AC，CMC和乙炔黑的浆料作为阴极材料； iv）滴涂水性电解质并用聚酰亚胺膜包装。

b）包装之前和之后的Zn离子混合MSC的光学图像。

c）基于同时在AC阴极上吸附/解吸阴离子和在电沉积的Zn纳米片阳极上进行Zn2 剥离/镀覆的Zn-离子混合MSC的机理。

在本文中，我们通过在基于ZnSO4的水性电解质中采用活性炭（AC）作为阴极并电沉积Zn纳米片作为阳极，展示了具有超高面能量密度和长耐久性的新型Zn离子混合MSC。AC阴极上的快速离子吸附/解吸以及电沉积的Zn纳米片阳极上的可逆Zn剥离/沉积使Zn-离子混合MSC能够实现高充电/放电能力。结果，在0.5-1.5 V的电压范围内，面电容在0.16 mA cm-2时达到了1200 mF cm-2的记录（在电流密度为0.05 A g-1时为259.4 F g-1）。在功率密度为0.16 mW cm-2时，面积能量密度高达115.4 micro;Wh cm-2，这比最新的MSC更好。而且，Zn离子杂化MSC显示出极好的循环稳定性，在10000次循环后没有明显的衰减。因此，具有如此优异的可逆电容，高倍率能力和良好循环性能的独特特性的锌离子混合MSC有望被用作新一代MESD。

图1a示意图展示了针对Zn离子混合MSC的整个器件制造过程。首先，在清洁的硅晶片上对金叉指集电器进行构图。然后，在叉指之间和叉指周围建立500 micro;m厚的光刻胶框架，用作机械支撑物和物理屏障（图S1，支持信息）。之后，将Zn纳米片以恒定的电流密度电沉积在左金叉指上，以用作阳极。此外，将由活性材料（AC），粘合剂（羧甲基纤维素钠，CMC）和导电添加剂（乙炔黑）组成的浆料多次注入右沟槽中，以填充作为阴极的空间。不同的侧视图图像显示不对称配置（图S2，支持信息）。最后，将2 m ZnSO4水性电解质滴涂到叉指图案化区域上，并借助UV固化光学胶将其与聚酰亚胺薄膜一起包装。封装前后的设备如图1b所示，总尺寸为1.8times;1.8 cm2。Zn离子混合MSC的制造经济，简单，高效且与现代基于硅的技术兼容。

通过扫描电子显微镜（SEM），原子力显微镜（AFM），高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和X射线衍射（XRD）显示了电沉积Zn纳米片阳极的形貌和结构。 SEM图像显示，垂直Zn纳米片以恒定电流均匀地生长在金叉指的表面上（图2a；图S3和S4，支持信息）。另外，相应的原子力显微镜图像和高度轮廓暗示生长的锌纳米片的横向尺寸为100-500 nm，平均厚度为5.6 nm（图2b，c）。如图2d，e所示，HRTEM图像和选择区域电子衍射（SAED）图案证实了Zn纳米片材具有独特的晶格和原子结构。观察到清晰的0.25 nm晶格空间（图2e），对应于六方锌（002）平面（JCPDS：87-0713）。此外，为了确定生长过程，用XRD图谱和SEM测量研究了在不同电沉积时间的各种Zn纳米片样品。所有衍射峰均符合六方锌（图2f）。关于增长机制的讨论可以在图S5（支持信息）中找到。另外，30分钟的电沉积是最佳条件。之后，侧视图SEM图像和相应的EDS映射表明，MSC中锌阳极的厚度约为50 micro;m（图S6，支持信息）。作为交流电的正极材料，有效交流电来自壳层结构，并通过SEM，HRTEM，XRD图谱和拉曼光谱表征（图S7–S9，支持信息）。比表面积高达1825 m2 g-1（图S10，支持信息），有利于充分的离子吸附/解吸。在通过受控注射器多次填充通道后，MSC中AC阴极的厚度约为80 micro;m（图S11，支持信息）。

图2

.作为阳极材料的电沉积锌纳米片的表征。 a）电沉积锌纳米片的SEM图像。 b）AFM图像和 c）Zn纳米片的相应高度分布；比例尺，10yig0 nm。 d,e）具有不同放大倍数的电沉积锌纳米片的HRTEM图像。 插图显示了SAED模式。 f）具有不同电沉积时间的金叉指集电器上的Zn纳米片的XRD图谱。

在组装Zn离子混合MSC之前，首先通过循环伏安法（CV）测量研究Zn纳米片阳极和AC阴极的电化学行为。如图3a所示，在Zn阳极的情况下，有一组氧化还原峰位于-0.9 / -1.2 V（相对于SCE），对应于Zn / Zn2 的剥离/沉积过程。此外，电沉积的Zn纳米片阳极与水性电解质之间的紧密接触可确保稳定的离子传输，这已通过连续的Zn剥离/镀覆工艺得到证实（图S12，支持信息）。此外，由于电化学双层的形成，可以观察到交流阴极的理想矩形CV曲线（图S13，支持信息）。由于Zn和AC之间存在很大的电位差（1 V），因此可以将它们组装成Zn离子混合MSC系统，其充电和放电过程中的反应可在图1c中示意性地说明。 Zn离子混合MSC在0.2到200 mV s-1之间的各种扫描速率下的CV曲线（图3b；图S14，支持信息）显示接近矩形。在0.5-1.5 V的电位窗口中，说明了交流电极中电化学双层电容器的主要特性。此外，通过恒电流充放电（GCD）测量在电流密度为0.16至3.12 mA cm-2的情况下研究了Zn离子混合MSC的电容行为（图3c）。根据GCD曲线​​，Zn离子混合MSC在0.16 mA cm-2的电流密度下提供了1297 mF cm-2的出色面积电容（图3d），它比基于MnO2的MSC高10倍，比基于石墨烯的MSC和最近报道的基于多孔碳的MSC（1-500 mF cm-2；表S1，支持信息）高出10倍。此外，在3.12 mA cm-2的高电流密度下，面积电容保持超过600 mF cm-2。此外，在1.56 mA cm-2的条件下进行10000次充/放电后，Zn离子混合MSC表现出优异的循环稳定性和100％的电容保持率（图3e）。图3f显示了循环测量之前和之后Zn离子混合MSC的电化学阻抗谱（EIS）。高频区域中的半圆表示与反应动力学相关的电荷转移电阻（Rct），而低频区域中的斜率表示电解质中的Zn2 扩散电阻。经过循环测试后，Rct变得更小（114.4与142.5Omega;），这表明Zn离子混合MSC的快速反应动力学。

图3

锌离子混合MSC的电化学行为。 a）扫描速度为10 mV s-1的2 m ZnSO4水溶液中Zn阳极和AC阴极的CV曲线。 b）在0.2-5 mV s-1的各种扫描速率下的CV曲线。 c）在0.16-3.12 mA cm-2的不同电流密度下的GCD曲线。 d）根据电流密度从GCD曲线计算出的面电容。 e）在1.56 mA cm-2的电流密度下的循环稳定性。 插图显示了锌离子混合MSC的前五个GCD曲线和最后五个GCD曲线。 f）10000次充放电循环测量之前和之后制造的Zn离子混合MSC的奈奎斯特图。 g）锌离子混合MSC，碳基MSC，石墨烯基MSC和导电聚合物基MSC的Ragone图。 h）为“ TUD”徽标的LED阵列供电的两个串联的Zn离子混合MSC的照片。

由于在设计MESD时非常关注整个器件空间，因此与基于质量或体积计算出的能量和功率密度相比，单位面积的能量和功率密度更有意义。因此，为进一步证明Zn离子混合MSC的整体性能，图3g中显示了Ragone图。值得注意的是，我们的Zn离子混合MSC在0.16 mW cm-2时提供了高达115.4 micro;Wh cm-2的超高面能密度，远高于最近报道的基于石墨烯的MSC [3b,c,f,4h]，聚苯胺纳米线MSC，洋葱状碳MSC[3k]，活性碳MSC[3k]，甚至优于碳化物衍生的碳MSC [3l]和石墨烯/ MnO2 MSC [4d]（0.1–50 micro;Wh cm-2）。此外，Zn离子混合MSC在89 micro;Wh cm-2时还提供了3.9 mW cm-2的高功率密度，优于碳基MSC[3b，c，f]。如表S1所示（支持信息），对于锌离子混合MSC而言，这些结果可与微电池和电解电容器媲美。为了获得更高的比电压和电容，在实际应用中，单个单元串联和并联连接。例如，三个串联的Zn离子混合MSC可以达到4.5 V的高压（图S16，支持信息）。两个串联连接的Zn离子混合MSC可以点亮由33个红色发光二极管（LED）组成的三个字符“ TUD”（图3h）。此外，与单个配置相比，并联配置的两个和三个Zn离子混合MSC表现出更高的电容。

图4.

Zn-离子混合MSC的机理研究。 a，b）第50个循环后，在0.5 mA和1.5 V之间的0.5 mA cm-2处，Zn纳米片阳极（a）和AC阴极（b）的异位XRD图案。曲线L代表10000次循环测试后的XRD图案。 c，d）10000次循环测量后，Zn纳米片阳极（c）和AC阴极（d）的SEM图像

为了研究Zn离子混合MSC中Zn纳米片阳极和AC阴极的储能机理，比较了第50个循环后各种充电/放电电压下的XRD图。 Zn离子混合MSC的GCD测量始于1.5 V，然后放电至0.5 V，最后再次充电至1.5V。如图4a清楚所示，在（0）的2theta;处存在（002），（100），（101），（102），（103），（004），（112）和（201）的八个主要特征峰。对于所有Zn纳米片阳极，分别为36.2°，38.9°，43.1°，54.5°，70.3°，77.0°，82.1°和86.6°。随着放电过程的进行，（002）和（004）面的衍射强度均降低，同时（101）面的衍射强度增加，这表明在Zn纳米片的剥离转化过程中晶体取向的改变。值得注意的是，没有其他归因于诸如ZnO颗粒的新峰能够被鉴定出来，表现出良好的可逆性。相反，随着充电过程的继续，（101）面逐渐消失，与（002）和（004）面的恢复相关。另外，如图4c和图S17（支持信息）所示，循环测量后，Zn阳极仍显示出纳米片的形态。ZnO的缺乏归因于中性电解质，这不会导致形成Zn(OH)2 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[239506]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章