王琳

辽宁省功能化合物重点实验室2021-05-10 14:33:18

Angewandte Chemie:用于集成光电探测系统的柔性光纤全固态非对称超级电容器


1

引言

具有存储能量的集成纳米器件被广泛应用,并因此被广泛研究。为了满足对柔性集成器件的需求,通过在镍纤维上生长Co3O4纳米线来制造同时实现能量存储和光电检测的全固态不对称超级电容器,由此得到正极,并且使用石墨烯作为负极和光敏感材料。组装好的集成系统的特点是改进了能量存储,通过将电位窗口从0-0.6 V提高到0-1.5 V,提高了功率密度(至少提高了1860%),对白光具有出色的光响应,基于光纤的不对称超级电容器和光电探测器。这种灵活的集成设备可能用于智能和自供电传感器,可穿戴设备和便携式电子设备。

2

成果简介

X. F. Wang,B. Liu,R. Liu,Q. F. Wang,X. J. Hou,D. D. Chen教授,武汉光电国家实验室(WNLO)和武汉光电国家实验室,光学和电子信息学院,华中科技大学(华中科技大学),超晶格和微结构国家重点实验室,中国科学院半导体研究所,微纳米测量-操纵与控制的重点实验室,,北京航空航天大学,实验室在Angewandte Chemie发表了题为“Fiber-based flexible all-solid-state asymmetric supercapacitors for integrated Photodetecting System”的文章。

具有存储能量的集成纳米器件被广泛应用,并因此被广泛研究。为了满足对柔性集成器件的需求,本文通过在镍纤维上生长Co3O4纳米线来制造同时实现能量存储和光电检测的全固态不对称超级电容器,由此得到正极,并且使用石墨烯作为负极和光敏感材料。组装好的集成系统的特点是改进了能量存储能力,通过将电位窗口从0-0.6 V提高到0-1.5 V,提高了功率密度(至少提高了1860%),对白光具有出色的光响应,基于光纤的不对称超级电容器和光电探测器。这种灵活的集成设备可能用于智能和自供电传感器,可穿戴设备和便携式电子设备。

总之,生长在金属纤维上的多孔Co3O4纳米线在20mA cm-3的电流密度下具有2.1F cm-3的高电容,在全固态不对称超级电容器中作正电极。这些来自多孔纳米结构的大的电化学活性表面和3D结构的电子传输和离子扩散的短路径。更重要的是,我们成功地制备了一种微尺度柔性非对称超级电容器,以钛丝上的Co3O4纳米线为正极,碳纤维上的石墨烯为负极,均为柔性储能器件和柔性光电探测器。全固态不对称超级电容器表现出赝电容和EDLC型特性的组合,即使在弯曲时也几乎不降低电化学性能。使用二维石墨烯层作为光敏材料,也可以获得高性能柔性集成光电探测器。因此,制造了小型化的柔性集成器件,其将超级电容器和光检测器结合在单个光纤上。

3

图文导读

X射线衍射图(XRD)与扫描电镜图(SEM)

a)刮去镍纤维的Co3O4的XRD图;b-d)在镍纤维上合成的Co3O4纳米线的扫描电镜(SEM)图像;e,f)Co3O4纳米线的透射电镜(TEM)和高分辨率透射电镜(HRTEM)图像


非对称性电容器的电化学测试

a)所制备的全固态不对称超级电容器的照片;b)电容器的循环伏安(CV)曲线;c)恒电流充放电(GCD)曲线;d)不对称超级电容器随着电位窗口的增加的体积电容


非对称超级电容器是电化学测试图

a)扫描速率在10和100 mV/s间的CV曲线;b)电流密度在20到100 mA/cm3内的GCD曲线从的不对称超级电容器电位窗口为0.0-1.5V;c)不对称超级电容器在40 Ma/cm3时的循环性能;d)全电池不对称超级电容器的拉贡图;其他超级电容器报告的数值被添加在图中进行比较。 PVA =聚乙烯醇。

不同弯曲状态下全固态柔性不对称超级电容器

a)以光纤为基底的全固态柔性不对称超级电容器在不同弯曲状态下的照片;b)不对称超级电容器CV曲线;c)柔性超级电容器的GCD曲线;d)在不同弯曲状态下以100mV/s-1的扫描速率获得的CV曲线

电化学性能测试

a)集成系统的示意图, 由柔性不对称光纤超级电容器供电的光检测器的电流响应;b)在不同入射光强度下照射;c)在40mWcm-2的光强度下处于不同弯曲状态

4

总结与展望

为了提高能量储存功能,集成纳米器件的制造,例如纳米发生器,金属离子无线组合探测器和光电转换器近年来被广泛探索。这些设备的与传统纳米器件的局限性相比功能更加多样化,适用性更强。集成的光电探测器对于特定应用,包括大面积的环境监测无线传感器网络,化学和生物传感以及原位监视药物等有重要意义。因为他们需要没有外部电源时也可以运作,还要避免额外的重量,光电探测器包含集成设备通常是平面的,这可能会限制它们的尺寸和实际应用。

在这方面,基于光纤的设备可以具有独特的优势。因其高功率密度及其快速充放电的能力发展用于单光纤的灵活的集成光电探测器,引起了极大的兴趣。这种储能设备,有利特征混合动力汽车,便携式电子设备和备用能系统。大多数传统的超级电容器太重且体积太大,无法为纳米传感器提供动力轻便灵活的集成系统。最近几年,高性能纤维发展小型化超级电容器已被广泛探讨满足柔性和可穿戴电子产品的需求正在增长。然而,直到现在,所有报道的以纤维为基底的超级电容器仅作为单组分能量存储进行研究设备,这仍然是一个很大的挑战高性能的以光纤为底物的微型超级电容器使用纳米传感器获得高性能纤维基灵活的集成系统。

本论文由渤海大学硕士研究生王琳解读,渤海大学辽宁省功能化合物重点实验室许家胜教授整理编辑,仅供学术交流。如果您在化学、材料、物理等领域已发表论文,对于在化学领域科技进展高水平文章等有深刻解读等,欢迎大家来稿,投稿邮箱以及内容合作可投稿jiashengxu@bhu.edu.cn。

文献链接

Wang X, Liu B, Liu R, et al. Fiber-based flexible all-solid-state asymmetric supercapacitors for integrated photodetecting system[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2014, 53(7):1849-53.


识别二维码

关注我们

点击“阅读原文”