基于CNT三维界面的高能量密度纤维状超级电容器的构建及其储能机理研究

As one of potential portable power supply devices, the preparations and applications of fiber supercapacitors (FSCs) have attracted considerable attention. And in the field of FSCs, researchers have made remarkable achievements during recent years. Unfortunately, the reported FSCs usually possess a low energy density, which has seriously hampered their real applications. To enhance the energy density of flexible FSCs, our project proposes a type of three-dimensional interfacial structure of carbon nanotube (CNT) fiber/ CNT array. The scopes of this project are: . 1) Introducing high-performance CNT fiber scaffolds, utilizing their electronic and mechanical properties to enhance the electrochemical/mechanical performances, and life time of FSCs.. 2) Employing chemical vapor deposition method to catalytically grow hierarchical CNT arrays on the CNT fiber scaffolds, to increase the specific surface area of the fiber electrodes; at the same time, combining the microscale and nanoscale structures to effectively build three-dimensional electron transfer highways and ion diffusion channels. . 3) Designing the three-dimensional hierarchical composites of CNT fiber/CNT@MnO2 core-shell arrays, to enhance the accessible area for electrolyte ions, to improve the utilization efficiency of pseudocapacitance materials, and finally increase the energy densities of FSCs. . This project will provide a scientific theoretical guidance for the preparation of high-energy density FSCs.

作为一种潜在的便携供电器件，纤维状超级电容器（FSCs）的制备及应用受到广泛关注。近年来，研究者们在柔性FSCs领域取得了很大的进展；但已报道的工作普遍存在“能量密度小”的问题，这严重阻碍了其实际的应用。本项目针对这一问题，提出了一种基于碳纳米管（CNT）纤维/CNT阵列的三维界面结构来提高柔性FSCs的能量密度：1）引入高性能CNT 纤维骨架，利用CNT 纤维优异的电/力学性能来提高FSCs的电化学和力学性能，以及使用寿命；2）采用化学气相沉积法在CNT纤维骨架上催化生长CNT阵列次级结构，有机结合微、纳米三维结构来构建电子高速传输通道和离子有效扩散通道，并探索其载流子输运机制；3）设计CNT纤维/CNT @ MnO2核壳阵列的三维次级结构，增加电解液离子的“可进入表面积”，提高赝电容材料的利用效率，最终提高FSCs的能量密度。本项目将为研制高能量密度FSCs提供实验依据和理论基础。

作为一种潜在的便携供电器件，纤维状超级电容器（FSCs）的制备及应用受到广泛关注。本项目围绕当前 FSCs“能量密度小”的问题，以柔性高电导率CNT 纤维为骨架，CNT 次级为“高速电子通道”来构建三维界面作为电荷（电子和离子）高速传输通道，以实现CNT@赝电容物质的核壳阵列结构在电化学储能过程中电子的高效传输和电解质离子的快速扩散，并最终制备出高能量密度的柔性FSCs。（1）项目按照计划，引入高性能CNT 纤维骨架，采用在“干纺”过程中将高性能赝电容纳米结构（如非晶MnO2、V2O5、Ni(OH)2等）“内嵌入”CNT纤维中。同时，利用CNT 纤维优异的电/力学性能来提高FSCs的电化学和力学性能，以及使用寿命，成功实现了在碳基纤维骨架上获得了11.3 mWh cm-3的体积比电容，且器件具有非常优异的弯折柔韧性能；（2）项目专门研究了化学气相沉积法催化生长CNT阵列次级结构的制备工艺，并系统地研究了CNT次级的长度、密度等参数对储能性能的影响；同时对CNT次级进行表面刻蚀进行化学官能团修饰，研究了刻蚀参数条件对对赝电容沉积以及储能性能的影响。此外，项目讨论了微、纳米三维结构结合化学官能团的修饰来构建电子高速传输通道和离子的吸附位点，并探索其载流子输运和储能增强机制；（3）根据研究实际结合制造成本，项目引入多种其他的商用导电纤维衬底（如商用碳纤维，金属Mo丝，Ti丝等），同时引入了Li离子电容，锂硫电池等新型储能形式来进一步提升器件的储能密度，并取得了非常优异的储能性能。这将为开发新型高比能纤维储能器件指明了方向。