蘇州納米所李清文、張其沖等合作AEM:聚吡咯輔助氮摻雜策略用于高性能的可穿戴無極性超級電容器和水系鋅離子電池

                              近年來由于可穿戴電子器件的飛速發展,人們對具有高能量密度功率密度的纖維狀儲能裝置的需求日益增加。然而,活性材料的低負載量和離子的緩慢擴散限制了能量密度和功率密度的提高,阻礙了其作為柔性儲能器件的應用。為解決上述問題,研究者們采用在活性材料中進行摻雜雜原子的方法,元素摻雜可以改變電極材料在分子結構中的電子分布,從而提高電子導電性。另一種報道的有效方法是將活性材料負載到三維導電支架上,這種方法顯著增加了電極的比表面積和活性物質的負載量,提供更多的離子存儲位置和電荷傳輸路徑,從而提高電容和加速離子擴散。盡管單獨摻雜雜原子或使用支架是有效的方案,但提高纖維電極的電化學性能方面仍然有限,并且需要繁瑣的制造工藝。 

                              蘇州納米所輕量化實驗室李清文與張其沖等提出了一種簡便且經濟高效的策略同時實現了三維導電支架的構建和對活性材料VO2的原位氮摻雜。具體來說,首先在碳納米管纖維(CNTF)上電化學聚合聚吡咯(PPy)納米線三維支架,然后在其上溶劑熱生長氧化釩(VOx)納米片,最后通過在惰性氣體中高溫退火,使PPy納米線碳化為氮摻雜碳(NC)的三維導電支架,同時熱解出氨氣,原位的氮摻雜VOx形成氮摻雜的VO2N-VO2),制備出了高性能N-VO2@NC@CNTF纖維電極。 

                              1. N-VO2@NC@CNTF纖維電極的制備示意圖和形貌表征 

                              PPy納米線的碳化不僅形成了NC三維導電支架,用于增強離子傳輸路徑和N-VO2的質量負載,而且還提供了氮原位摻雜到VOx中以產生N-VO2的來源,用于提高電子電導率和儲能能力。因此,這種合理設計的N-VO2@NC@CNTF纖維電極具有優異的電化學性能和機械柔性,適用于全固態纖維狀無極性超級電容器和水系鋅離子電池。 

                              2. N-VO2@NC@CNTF纖維電極用作纖維狀無極性超級電容器的性能 

                              3. N-VO2@NC@CNTF纖維電極用作纖維狀水系鋅離子電池的性能 

                              此外,理論計算結果發現,PPy輔助的N-VO2的帶隙可以從0.55eV顯著降低到0.23eV,從而大大提高了其電導率。另外N摻雜后也使得鋅離子的擴散更加容易,進一步提升了儲鋅的性能。 

                              4 DFT模擬計算的N-VO2VO2的性能對比 

                              該研究工作為設計和開發具有優異電化學性能和機械柔性的可穿戴水系儲能裝置開辟了新途徑。相關工作以Polypyrrole-Assisted Nitrogen Doping Strategy to Boost Vanadium Dioxide Performance for Wearable Nonpolarity Supercapacitor and Aqueous Zinc-Ion Battery為題發表于Advanced Energy Materials,本文的共同第一作者是東南大學郭嘉斌,通訊作者是蘇州納米所李清文研究員、張其沖項目研究員和東南大學王春雷研究員,徐州工程學院鞏文斌副教授負責文中的計算模擬內容。該論文工作獲得了中科院率先行動引才計劃和國家自然科學基金等項目資助。 

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