自支撑三维纳米多孔石墨烯薄膜制备微米级柔性全固态非对称超电容

电子器件的日益小型化和柔性化要求储能器件必须具备轻质、柔性，并能够在有限空间内最大程度地发挥高电化学性能。因此，探寻具有高体积比性能的柔性储能器件成为关键。柔性超电容因其具有高功率密度和长使用寿命受到人们的广泛关注。为了兼顾功率密度和能量密度，人们通常将具有高导电性的碳纳米材料和具有高比容量的过渡金属氧化物复合，以期获得优异的电化学性能。然而，碳纳米材料较低的比容量在一定程度上降低了复合电极材料整体的电化学性能。因此，寻求高比表面积、高导电性、轻质、体积可忽略的自支撑体来复合过渡金属氧化物是获得高能量密度和功率密度超电容的关键。

近期，天津大学赵乃勤教授课题组利用纳米多孔铜为模板原位合成了三维管道状纳米多孔石墨烯薄膜（3D-DG），其孔径分布为500 ~ 800nm，石墨烯片层少于5层，并展现了良好的柔韧性。在此基础上，利用电化学沉积的方法在3D-DG内外表面均匀沉积了二氧化锰（MnO₂），可达复合电极（3D-DG@MnO₂）总量的90.5 wt%，从而大幅提高整体电极的电化学性能。

尔后，课题组利用纳米多孔铜催化氢化石墨高温裂解，合成了连续异质结构的纳米多孔石墨烯膜（3D-npG），并以此为负极材料，3D-DG@MnO₂为正极材料，PVA/LiNO₃为凝胶电解质，组装成非对称柔性超电容（ASCs）。组装后的ASCs的厚度仅有50μm左右，电压窗口可扩展至2V，表现出优异的体积能量密度（28.2 mWh cm^-3）和功率密度（55.7 W cm^-3）。ASCs在循环5000次之后容量仍然能够保持在~92%。仅使用一片ASCs就可以同时点亮25盏红色LED灯。

相关研究成果近期以Frontispiece的形式刊登在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600755)上。