北理工課題組在構(gòu)建超高性能平面微型超級(jí)電容器方面取得進(jìn)展
發(fā)布日期：2026-04-20 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院趙揚(yáng)教授聯(lián)合清華大學(xué)曲良體教授、王贏(yíng)博士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)化學(xué)期刊《ACS Nano》上發(fā)表題目為“Cascaded Spatial Confinement Enables Simultaneous Ultrahigh Energy and Power Densities in Planar Micro-Supercapacitors”的研究論文（DOI: 10.1021/acsnano.6c02331）。北京理工大學(xué)為第一通訊單位，北京理工大學(xué)趙揚(yáng)教授、清華大學(xué)曲良體教授、王贏(yíng)博士為本論文的共同通訊作者，北京理工大學(xué)姜瀾院士為本研究的合作者，化學(xué)與化工學(xué)院23級(jí)碩士研究生陳瑜為論文第一作者。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、京津冀基礎(chǔ)研究合作專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目支持。
隨著柔性電子、可穿戴設(shè)備及集成微系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)與之匹配的微型化、高性能電源的需求日益迫切。平面微型超級(jí)電容器（P-MSCs）因與微電子器件兼容性好、無(wú)需隔膜、離子擴(kuò)散路徑短等優(yōu)勢(shì)，成為理想的候選電源。然而，受限于器件尺寸和平面構(gòu)型，其能量密度遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。如何在有限空間內(nèi)協(xié)同優(yōu)化電子與離子的傳輸與存儲(chǔ)行為，是當(dāng)前領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出一種級(jí)聯(lián)空間限域策略，構(gòu)建了具有三維互鎖結(jié)構(gòu)的P-MSC，該策略將毛細(xì)力與電荷傳輸/存儲(chǔ)行為耦合，實(shí)現(xiàn)了離子-電子的富集效果。通過(guò)在石墨箔集流體上激光刻蝕的金字塔形微陣列產(chǎn)生毛細(xì)力，將電極漿料和電解液限域在微溝槽內(nèi)，構(gòu)建致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并建立穩(wěn)固的離子-電子相互作用界面，顯著提升了離子的可及性和動(dòng)力學(xué)性能。以鋅//活性炭P-MSC為例，該策略將活性材料利用率提升了兩倍以上，實(shí)現(xiàn)了117.5?mWh?cm-3的優(yōu)異能量密度和2382.0?mW?cm-3的功率密度。該策略在多種P-MSC體系中展現(xiàn)出可靠的普適性。
圖1. 平面微型超級(jí)電容器中級(jí)聯(lián)空間限域策略的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)勢(shì)對(duì)比
圖2. 三維互鎖結(jié)構(gòu)平面微型超級(jí)電容器的制備與表征
圖3. 基于級(jí)聯(lián)空間限域策略的性能提升機(jī)制研究
制備的集成器件在為小型電子設(shè)備和柔性顯示器供電方面顯示出顯著優(yōu)勢(shì)，為未來(lái)高度集成、可穿戴的電子設(shè)備提供了理想的供電解決方案。
圖4. 集成器件應(yīng)用驗(yàn)證
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02331
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