成果简介
柔性电源是智能和可穿戴电子设备的重要组成部分。这些设备的便携性和功能性受到现有电池的尺寸、重量和灵活性的限制。本文，上海理工大学《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Wearable high power flexible lithium-ion capacitors with adjustable areal loading”的论文，研究利用高压溶热法探索了柔性锂离子电容器（LIC）活性材料的可控质量负载，以及具有代表性的 “PDA-C包裹还原氧化石墨烯支撑 Ti2Nb10O29″（TNO/rGO@NC）阳极和 “三维孔状石墨烯片”（HGS）阴极。
在使用10.5mg cm-2 的商业应用质量负载水平进行研究时TNO/rGO@NC阳极在 0.5C 时实现了 2.4 mAh cm-2 的高比面积容量，在50C的超高速率下实现了 1.2 mAh cm-2 的比面积容量，同时在 10C 下循环500次后仍能保持 92.4% 的初始容量。至于阴极部分，HGS在1C时显示出 125 mAh g-1，1500 个循环后没有退化。组装后的LIC达到了6230kW kg-1 的高功率密度和 123Wh kg-1的能量密度，并且在0.5-4.0V下10C循环1000次后仍能保持 82.2% 的良好循环保持率。其灵活性、简易形状设计、高负载质量、高能量/功率密度等优势使其成为可穿戴和智能电子设备的理想储能材料。
图文导读
图1：（a）TNO/rGO@NC 复合材料的合成过程示意图；（b-c）TEM、（d-e）HRTEM（插图：（e）中方向的对比强度曲线）和（f）TNO/rGO@NC 复合材料的元素映射图像。
图2、（a） GO、rGO、原始TNO、TNO/rGO和TNO的XRD图谱/rGO@NCTNO的材料和物理性能/rGO@NC薄膜：（b）加热速率为10℃min-1的空气气氛下的TGA，（c）BET氮吸附-脱附等温线和BJH孔径分布图（插入），（d-g）（d）Nb3d（e）Ti2p（f）C1s和（g）N1s的高分辨率XPS光谱。
图3. 用于锂半电池的 TNO/rGO@NC 阳极的电化学性能
图4：HGS 材料的（a）TEM 图像（插图：放大图像）和（b）BET 氮吸附-脱附等温线和 BJH 孔径分布图（插图）；HGS 正极在锂半电池中的电化学性能：（c）不同扫描速率下的 CV 曲线；（d）100 mA g-1 下的初始三次充放电曲线；（e）循环性能和（f）速率性能。
图5：(a) 带电柔性 HGS||TNO/rGO@NC LIC 照亮 LED 的演示，以及混合 HGS||TNO/rGO@NC LIC 在 0.5 至 4.0 V 之间的电化学性能：(b) 不同扫描速率下的 CV 曲线；(c) 10C 下的循环；(d) 速率容量；(e) 与已报道的以不同钛/铌氧化物为阳极的 LIC 相比的相应 Ragone 图
小结
总之，我们开发出了一种基于 TNO/rGO@NC 阳极和 HGS 阴极的柔性 LIC，可同时实现高能量和高功率密度。TNO/rGO@NC 阳极由三维连续柔性石墨烯导电基底上密集填充的 TNO 纳米粒子和掺氮碳涂层组成，其质量负荷易于调节，并具有较高的速率（50℃ 时为 1.2 mAh cm-2）和循环（10℃ 时循环 500 次后保持率为 92.4%）性能。另一方面，HGS 阴极在 1C 时具有 125 mAh g-1 的高可逆容量，在 100C 时的可逆容量保持率为 67.0%。通过优化 HGS 阴极和 TNO/rGO@NC 阳极的质量比，柔性 HGS||TNO/rGO@NC LIC 在功率密度为 220-6230 W kg-1 时可提供 123-227 Wh kg-1 的高能量密度。这项工作使具有高能量/功率密度和任意形状的柔性 LIC 应用于智能和可穿戴电子设备成为可能。
文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145781
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