【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙揚(yáng)教授聯(lián)合清華大學(xué)曲良體教授、王贏博士團(tuán)隊(duì)在國際頂級化學(xué)期刊《ACS Nano》上發(fā)表題目為“Cascaded Spatial Confinement Enables Simultaneous Ultrahigh Energy and Power Densities in Planar Micro-Supercapacitors”的研究論文(DOI: 10.1021/acsnano.6c02331)。北京理工大學(xué)為第一通訊單位，北京理工大學(xué)趙揚(yáng)教授、清華大學(xué)曲良體教授、王贏博士為本論文的共同通訊作者，北京理工大學(xué)姜瀾院士為本研究的合作者，化學(xué)與化工學(xué)院23級碩士研究生陳瑜為論文第一作者。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、京津冀基礎(chǔ)研究合作專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。
隨著柔性電子、可穿戴設(shè)備及集成微系統(tǒng)的快速發(fā)展，對與之匹配的微型化、高性能電源的需求日益迫切。平面微型超級電容器(P-MSCs)因與微電子器件兼容性好、無需隔膜、離子擴(kuò)散路徑短等優(yōu)勢，成為理想的候選電源。然而，受限于器件尺寸和平面構(gòu)型，其能量密度遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。如何在有限空間內(nèi)協(xié)同優(yōu)化電子與離子的傳輸與存儲行為，是當(dāng)前領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。
針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出一種級聯(lián)空間限域策略，構(gòu)建了具有三維互鎖結(jié)構(gòu)的P-MSC，該策略將毛細(xì)力與電荷傳輸/存儲行為耦合，實(shí)現(xiàn)了離子-電子的富集效果。通過在石墨箔集流體上激光刻蝕的金字塔形微陣列產(chǎn)生毛細(xì)力，將電極漿料和電解液限域在微溝槽內(nèi)，構(gòu)建致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并建立穩(wěn)固的離子-電子相互作用界面，顯著提升了離子的可及性和動力學(xué)性能。以鋅//活性炭P-MSC為例，該策略將活性材料利用率提升了兩倍以上，實(shí)現(xiàn)了117.5?mWh?cm-3的優(yōu)異能量密度和2382.0?mW?cm-3的功率密度。該策略在多種P-MSC體系中展現(xiàn)出可靠的普適性。
制備的集成器件在為小型電子設(shè)備和柔性顯示器供電方面顯示出顯著優(yōu)勢，為未來高度集成、可穿戴的電子設(shè)備提供了理想的供電解決方案。
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