双模态超级电容器——解决超级电容器功率密度与能量密度不兼容问题的新思路

以下文章来源于研精究微 ，作者研精究微

可穿戴电子设备、人工皮肤、物联网等微型电子元件领域的快速发展，对微型储能设备的性能提出了越来越高的要求，微型储能设备已经成为限制微电子领域发展的因素之一。微型超级电容器因其快速充放电响应、高功率密度、长循环寿命等优点成为科研人员的研究重点，但其功率密度和能量密度不兼容问题，是制约其发展和应用的关键问题。

近日，郑州大学卫荣汉教授团队在高性能超级电容器制备方面取得了最新的研究进展。针对超级电容器功率密度和能量密度不兼容的缺点，该团队从结构设计的角度，设计了一种新颖的可切换高功率密度和高能量密度超级电容器，并证明了该超级电容器具有优异的切换性能和稳定性。为解决超级电容器功率密度和能量密度不兼容的问题提供了新思路。

图1. 采用激光诱导的方式制备三维可切换高能量密度和高功率密度超级电容器。

该研究以“Three dimensional high-performance micro-supercapacitors with switchable high power density and high energy density”为标题发表在 Nanoscale 上。论文的通讯作者为郑州大学力学与安全工程学院聂帮帮老师，共同通讯作者为郑州大学卫荣汉教授。论文第一作者为郑州大学力学与安全工程学院2021级研究生王矿兵，其他合作者包括郑州大学化学院2021级研究生苏妮，信息工程学院2021级研究生吕本坤，力学与安全工程学院2021级研究生宋慧谦，齐国臣老师、张玉东老师、邱京江老师。

图2. 不同类型超级电容器的电化学性能表征。

该研究中，作者首先对结构设计的可行性进行了验证，设计了三种超级电容器，分别为Interdigital-MSC、sandwiched-MSC、sandwiched-MSC/MnO2，对它们的电化学性能进行了表征（图2），证明了不同类型超级电容器的性能差异和切换的可行性，并对 MnO2 的作用机理进行了解释。

图3. 三维可切换高能量密度和高功率密度超级电容器性能表征。

基于结构设计和改性修饰方法，作者设计并制备了一种可切换高能量密度和高功率密度超级电容器，其性能如图3。该超级电容器中具有两种基于不同储能原理的超级电容器，分别对应高功率密度模式和高能量密度模式。在相同的扫描速度条件下，Sandwich-MSC/MnO2 较 Interdigital-MSC 表现出更大的 CV 面积，其幅值大约是Interdigital-MSC的两倍，且在放电测试中前者表现出更长的放电时间。计算结果显示 Sandwich-MSC/MnO2的面积电容 ( 52.40 mF cm-2 ) 约是 Interdigital-MSC 面积电容 ( 15.39 mF cm-2 )的 3 倍,相同的放电电流条件下， Sandwich-MSC/MnO2 和 Interdigital-MSC 的能量密度和功率密度存在明显差异。在 0.1 mA 的放电电流条件下，Sandwich-MSC/MnO2的能量密度 ( 5.88 µWh cm-2 ) 是 Interdigital-MSC 能量密度 ( 1.75 µWh cm-2 )的 3.36 倍，而 Interdigital-MSC 功率密度( 43.06 µW cm-2 )是的 Sandwich-MSC/MnO2 的 ( 29.96 µW cm-2 ) 的 1.44 倍。

图4. 超级电容器的串并联性能。

此外，为进一步研究所设计的超级电容器的实际应用性能，该团队研究了3 个超级电容器的串并联性能，结果如图4。测试结果显示，该团队设计的超级电容器具有优异的串并联特性，在串联条件下叉指型超级电容器和三明治型超级电容器的工作电压均为单个超级电容器的3倍左右；在并联条件下不同类型的超级电容器的工作电压基本不变，而放电时间约为单个电容器的3倍。

该研究从结构设计的角度提出了一种超级电容器功率密度和能量密度不兼容问题的解决方案，并对该方案进行了实验验证，为高性能微型储能器件的制备提供了新思路。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D3NR03122E

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