為適應柔性、可穿戴、可植入微電子的快速發(fā)展，需要發(fā)展具有高性能、機械穩(wěn)定性和高兼容集成度的微型儲能器件。微型超級電容器由于超高的功率密度、快速的充放電速率和長壽命，在微電子領域有著重要的發(fā)展?jié)摿?。然而，微型超級電容器仍存在能量密度較低和電位窗口較窄等問題。雜化金屬離子微型超級電容器同時結(jié)合了電池型負極和超級電容型正極的優(yōu)點，可同時實現(xiàn)高能量密度和高功率密度。在眾多金屬離子中，鉀資源豐富且鉀的還原電位低(-2.93 V vs.SHE)。此外，鉀離子在非水電解質(zhì)中具有較弱的溶劑化效應和較小的斯托克斯半徑，有助于提高鉀離子轉(zhuǎn)移數(shù)和離子導電性。但是，鉀離子微型超級電容器的關鍵材料與器件合理設計仍然存在挑戰(zhàn)。
本工作中，該團隊發(fā)展了同時氧化和堿化MXene(Ti3C2)策略，制備出新型鈦酸鉀納米棒材料，具有較大的長徑比和離子擴散系數(shù)，以及較高的儲鉀比容量(145mAh/g)。該工作以鈦酸鉀為負極，活化石墨烯為正極，結(jié)合高電壓的離子液體凝膠電解液，構建出新型鉀離子微型超級電容器，具有3.8V的高電壓窗口，優(yōu)于先前報道的微型超級電容器。由于贗電容占主要貢獻且充放電過程中電極體積變化小，該鉀離子微型超級電容器具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，同時體積能量密度達到34.1mWh/cm3。此外，該鉀離子微型超級電容器在同一柔性基底上與壓力傳感器兼容集成可以靈敏地監(jiān)測身體運動。該工作不僅為高性能微型超級電容器的設計提供了新的思路，還為微型超級電容器供電柔性電子器件提供了一個范例。
相關研究成果以題為“High-Voltage Potassium Ion Micro-Supercapacitors with Extraordinary Volumetric Energy Density for Wearable Pressure Sensor System”發(fā)表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上。該工作的第一作者是我所508組鄭雙好副研究員和博士研究生馬佳鑫。上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、遼寧省中央引導地方專項等項目的資助。
