超級電容器具有高功率密度、快速充放電、高安全性和高循環穩定等特點，常被應用於新興可穿戴電子設備、多動力汽車、以及間歇式能量供應平衡系統等。然而，和電池相比，超級電容器的能量密度相對較低，限制了其在高能耗類電子產品（比如手機）的廣泛應用。目前，以二維活性材料（比如石墨烯）開發高性能複合電極體系是解決超級電容器低能量密度問題的一種有效途徑。然而，簡單的複合難以有效發揮材料間的協同效應，無法獲得理想的電容性能（比如：高比電容，良好循環穩定性或倍率性能）。因此，基於二維材料複合電極開發高性能超級電容器的關鍵是：設計能夠發揮材料組分特性的複合結構，實現目標協同效應。
Hierarchical Porous RGO/PEDOT/PANI Hybrid for Planar/Linear Supercapacitor with Outstanding Flexibility and Stability
Fuwei Liu, Luoyuan Xie, Li Wang, Wei Chen, Wei Wei, Xian Chen, Shaojuan Luo, Lei Dong, Qilin Dai, Yang Huang* and Lei Wang*
Nano-Micro Lett.(2020)12:17
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0342-5
本文亮點：
1 設計製備分層次、多孔的還原氧化石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽/聚苯胺（RGO/PEDOT/PANI）複合超電容電極材料。
2 該材料展現出535 F/g的高比電容，良好倍率性能和高循環穩定性。
內容簡介
深圳大學材料學院王雷教授課題組通過引入造孔劑、酸處理、電化學合成工藝，成功構建了一種具有分層次、多孔結構設計的高性能RGO/PEDOT/PANI複合電極材料。上述分層次、多孔結構設計使複合材料各組分能夠充分發揮自身優勢，形成具有豐富電化學反應界面的連續高導電網絡。因此，該柔性複合電極可實現高達535 F/g的比電容，良好的倍率性能以及高循環穩定性。受益於複合電極優異的電化學性能，所組裝的平面型電容器表現出了高儲能特性，比如當功率密度為800 W/kg時，其能量密度可以達到26.89 Wh/kg。不僅如此，RGO/PEDOT/PANI複合電極還可以移植至絕緣棉紗線上，用於製備性能優異的線型電容器，提供179.5 mF/cm2的比電容和0.016 mWh/cm2能量密度。這種分層次、多孔RGO/PEDOT/PANI電極的成功製備，可為其他複合型高性能超電容電極體系的設計提供有益借鑑和啟示。
圖文導讀
I 分層次、多孔RGO/PEDOT/PANI複合電極的構建
如圖1所示，首先採用維生素C（Vc）造孔，製備出多孔的氧化石墨烯（GO）/ PEDOT:PSS薄膜基底；隨後採用高氯酸（HClO4）和氫碘酸（HI）處理，進一步提高多孔基底的導電性；最後以電化學沉積方法，將PANI納米棒引入到多孔導電膜基底上，獲得具有分層次、多孔結構的RGO/PEDOT/PANI電極材料。
圖1 多層次、多孔RGO/PEDOT/PANI複合電極的構建示意圖。
II RGO/PEDOT/PANI複合電極優異的電化學性能
如圖2所示，RGO/PEDOT/PANI複合電極材料受益於其優良導電性和分層多孔結構，具有豐富的電化學反應界面，可提供高比電容（535 F/g），良好的倍率性能以及高循環穩定性。
圖2 (a) GO/PEDOT:PSS，RGO/PEDOT以及RGO/PEDOT/PANI電極在掃描速率為50 mV/s時的循環伏安測試（CV）圖譜; (b) GO/PEDOT:PSS，RGO/PEDOT，以及RGO/PEDOT/PANI電極在電流密度為1 A/g時的恆流充放電（CD）圖譜; (c) GO/PEDOT:PSS，RGO/PEDOT，以及RGO/PEDOT/PANI電極的阻抗測試圖譜; (d)RGO/PEDOT/PANI複合電極在不同掃描速率下的CV圖譜; (e)RGO/PEDOT/PANI電極在不同電流密度下的CD圖譜; (f)RGO/PEDOT/PANI複合電極的循環穩定性測試，電流密度為5 A/g。
III 分層多孔RGO/PEDOT/PANI的結構表徵
分層多孔RGO/PEDOT/PANI電極優異的電化學性能源於其獨特的結構。如圖3所示，RGO/PEDOT/PANI中排列有序的PEDOT分子保證了載流子的傳輸效率；光譜表徵顯示，各組分間存在強相互作用，可以確保電荷在各組分間的高效傳輸；PANI的良好結晶性亦有利於其發揮贗電容性能。此外，RGO/PEDOT/PANI薄膜連續的分層多孔結構，為電子和離子在電化學反應中的高效傳輸提供了保障。上述結構優勢是RGO/PEDOT/PANI實現高比電容，良好倍率性能和高循環穩定性的根本原因。
圖3 GO/PEDOT:PSS，RGO/PEDOT以及RGO/PEDOT/PANI的結構表徵：(a) XRD圖譜, (b) FTIR圖譜, (c)Raman圖譜, (d) Uv−vis圖譜, (e) XPS 全譜, (f) RGO/PEDOT/PANI的N1s圖譜。
IV 基於RGO/PEDOT/PANI的高性能平面型電容器
由於RGO/PEDOT/PANI電極優異的電化學性能，所組裝的平面型電容器同樣也表現出高儲能特性：當其功率密度為800 W/kg時，可以能提供26.89 Wh/kg的能量密度。另外如圖4所示，平面型電容器還擁有良好的倍率性能、優異的循環以及機械穩定性能。
圖4 (a) 基於RGO/PEDOT/PANI電極的平面電容器在不同掃描速率下的CV圖譜; (b) 器件在不同電流密度下的CD圖譜; (c) 器件的循環穩定性，電流密度為5 A/g; (d)柔性平面型器件的緊湊結構，其厚度為141 μm; (e) 器件在不同彎折角度時的電容保持率; (f) 器件的Ragone圖及與其他文獻所報道器件性能的對比。
V 基於RGO/PEDOT/PANI的高性能線型電容器
將RGO/PEDOT/PANI移植至絕緣棉紗線上，可製備性能優異的線型電容器，其比電容數值可以達到179.5 mF/cm2，同時其能量密度能夠達到0.016 mWh/cm2。構建的線型電容器展現出優異的機械穩定性和儲能特性：將3個線型電容器串聯後，能夠為電子錶持續供電超過半小時。
圖5 (a) 線型器件示意圖; (b)線型超電容的SEM截面形貌; (c) 線型超電容在被任意拉抻、彎折、扭曲、打結時，其結構依然可以保持完整並持續為電子錶供電; (d) 線型超電容的Ragone圖及與其他文獻所報道器件性能的比較; (e)三個線型電容器串聯後可以為電子錶持續供電半小時。
黃揚 HUANG Yang
本文通訊作者
深圳大學材料學院
▍主要研究領域
主要從事低維度材料的製備及其表面調控，同時實現其在新穎微/納結構電子、能源存儲器件的應用。
▍主要研究成果
在ACS NANO, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie International Edition, Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Nature Communication, Nano Energy等期刊雜誌發表學術論文多篇，被引用4500餘次，其中12篇論文入選ESI高被引論文，H-index指數為35。2019年入選Nature Index材料科學領域“後起之秀年輕科學家”（全球共五人，https://www.nature.com/articles/d41586-019-03765-0）。
▍Email:[email protected]、[email protected]
王雷 WANG Lei
本文通訊作者
深圳大學材料學院
▍主要研究領域
主要從事燃料電池質子交換膜和高分子熱電材料方面的研究。
▍主要研究成果
深圳大學材料學院教授，博導，材料學院院長，南山區人大常委，九三學社市委委員。主持國家項目3項，省2項，市基金6項，發表論文100餘篇，SCI論文被引用1600餘次，申請專利20餘項。先後獲得深圳市優秀班主任，深圳大學優秀研究生指導老師，深圳大學青年教師講課競賽一等獎，深圳大學科技創新獎二等獎和三等獎等獎勵。
▍Email: [email protected]
Nano-Micro Letters 是上海交通大學主辦的英文學術期刊，主要報道納米/微米尺度相關的最新高水平科研成果與評論文章及快訊，在 Springer 開放獲取（open-access）出版。
文章來源： nanomicroletters
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