近日，四川大學青年教師吉俊懿副教授帶領的新能源材料課題組在能量存儲器件研究方面取得重要進展，相關成果“Construction of Vertically Aligned PPy Nanosheets Networks Anchored on MnCo2O4 Nanobelts for High-Performance Asymmetric Supercapacitor”發(fā)表于國際知名期刊《Journal of Power Sources》上（Elsevier旗下的能源類老牌期刊， 2016年影響因子6.395）。該論文第一作者為四川大學beat3652016級碩士生王飛飛，beat365吉俊懿副教授為該論文的通訊作者。
近年來，利用和開發(fā)高端儲能裝置成為重要的研究熱點課題。作為一種新型的儲能裝置，超級電容器由于其高功率密度和長循環(huán)壽命引起了人們的極大興趣。而相對于雙電層電容，利用金屬氧化物的電化學氧化還原反應存儲能量的贗電容可以提供更高的能量密度。多元過渡金屬氧化物NM2O4（M或N = Mo，Co，F(xiàn)e，Mn等）被認為是具備潛力的新一代儲能材料，因為它們具有優(yōu)良的導電性、不同元素的協(xié)同效應和環(huán)境適應性，其中鈷酸錳因其理論電容高（約3619 F g-1）、成本低和自然豐度高等優(yōu)點逐漸引起人們的重視。然而，純鈷酸錳材料的實際容量遠低于其理論值，這可能與其電子傳遞阻力大和活性材料利用率低有關。
導電聚合物聚吡咯（PPy）可以作為超級電容器中的導電劑和活性材料。與碳基導電納米材料相比，PPy層不僅可以物理包附金屬氧化物，也可以通過原位聚合生長為三維結構。包附的三維PPy連續(xù)結構可以形成到多孔活性材料內(nèi)表面的高電子途徑，從而提高電子的傳輸速率。另一方面，PPy涂層厚度的增加會增加離子擴散阻力，因此在電子和離子傳輸速率之間會出現(xiàn)“Trade-Off”效應。因此，合適的PPy結構設計和可控合成仍然是制造高性能電極的一個挑戰(zhàn)。
圖1. a) PPy@MnCo2O4/GNF復合材料合成圖；b) 電子/離子遷移路徑示意圖。
吉俊懿副教授課題組針對這一問題，特異性設計了一種具有交叉網(wǎng)絡片結構的PPy包裹層，首次報道了垂直交叉片式PPy@MnCo2O4納米帶復合材料。在聚合反應過程中，摻雜劑對甲苯磺酸可以部分蝕刻MnCo2O4納米帶，同時解離的Mn/Co離子可以充當交聯(lián)劑構建三維的PPy納米結構。垂直排列的PPy納米片網(wǎng)絡可以轉移電子到MnCo2O4納米帶，而由納米片包圍的納米孔洞可以儲存電解質，同時MnCo2O4表界面更薄的PPy能夠降低離子遷移距離，從而提升活性物質利用效率。PPy@MnCo2O4/GNF復合材料在1 A g-1的電流密度下具有2364 F g-1的最高比電容，具有較高倍率性能（當電流密度為50 A g-1時，具備55.2％的電容保持率）和循環(huán)穩(wěn)定性（1000次循環(huán)后的電容保持率為85.3％）。此外，以PPy@ MnCo2O4/GNF和a-MEGO為正極和負極組裝的不對稱超級電容器結構在6 M KOH水溶液中顯示最高的能量密度為25.7 W h kg-1，功率密度為16.1 kW kg-1。因此，通過該理性結構設計的PPy包附提高金屬基材料的電化學性能可能對下一代儲能電極的設計提供借鑒作用。
圖2. a-f) 不同濃度PPy包裹的MnCo2O4/GNF復合材料SEM圖；b) PPy@MnCo2O4納米片表界面PPy垂直交叉片TEM圖。
該項研究得到了國家自然科學基金項目（21506130，21490582，21776187）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費、高分子材料工程國家重點實驗室自主課題經(jīng)費資助（sklpme2017-3-01）等項目資助。
原文連接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304816
高敏 吉俊懿 撰稿
鈕大文 審核
高敏 編輯
2018年5月14日
