基于V2CTx//MnO2的锌离子混合微型超级电容器

研究简介

便携式电子设备需求的不断增长显著推动了储能领域的发展。近年来，水系锌离子混合微型超级电容器(ZIHMSC)因其卓越的功率密度、更高的安全性和更低的成本而成为研究的焦点。这项工作介绍了一种柔性ZIHMSC，其正极为MnO2，负极为V2CTx。V2CTx和MnO2电极之间的最佳电荷平衡和功函数差异，在470µWcm−2的功率密度下显著提高了150µWhcm−2的能量密度，并实现了1.9V的宽电压窗口。此外，该器件还展示了306mFcm−2的面积电容。通过密度泛函理论(DFT)计算和各种原位和非原位表征测试方法分析了工作机理。基于V2CTx//MnO2的ZIHMSC可以集成到传感系统中，并有效检测各种人体活动，凸显了其在可穿戴电子技术中的应用价值。这项工作为开发下一代高能量密度的锌离子混合设备提供了一种创新方法。

图文导读

图1. a)该示意图说明了基于V2CTx//MnO2的ZIHMSC的机制。b)基于V2CTx//Zn、MnO2//Zn、V2CTx//MnO2的ZIHMSC的V2CTx、MnO2的功函数和循环伏安法(CV)曲线。c)Ragone图比较了ZIHMSC与其他关于超级电容器和传感单元以形成灵活可穿戴系统的报告。

图2.V2CTx和MnO2的结构和成分表征。a)V2CTx的TEM图和b)HRTEM图，插图显示FFT斑点。c、d)不同放大倍数下的MnO2SEM图。e)V2AlC、V2CTx的XRD。f)V2CTx的XPS和g)V2CTx的V2p。h)MnO2的XPS和i)MnO2的Mn2p。j)V2CTx和k)MnO2的拉曼，l)集成ZIHMSC的SEM图。

图3. 基于V2CTx//MnO2的ZIHMSC的电化学性能。a)V2CTx//Zn和MnO2//Zn的CV曲线。b)ZIHMSC在0–1.8、0–1.9和0–2.0V范围内的CV曲线和（c）GCD曲线。d)1-5mVs−1时的CV曲线。e)0.5–2.0mAcm−2时的GCD曲线。f)MnO2//Zn、V2CTx//Zn和V2CTx//MnO2的面积电容。g)容量贡献百分比。h)阻抗谱。i)ZIHMSC的循环寿命和库仑效率，插图显示了前十个循环和后十个循环。

图4. V2CTx//MnO2器件的储能机理。a）ZIHMSC示意图。b）基于V2CTx//MnO2的ZIHMSC的GCD曲线。c）V2CTx阳极充放电过程中的原位XRD光谱和d）相应的等高线图。e）MnO2阳极充放电过程中的原位XRD光谱和f）相应的等高线图。g）V2CTx阳极充放电过程中的原位整体XPS光谱和h）充放电过程中Zn2p的原位XPS光谱。i）完全充放电后MnO2的原位SEM。j）V2CTx在Zn2+和H+上的吸附能和电荷密度。k）MnO2在Zn2+和H+上的吸附能和电荷密度。

图5.基于V2CTx//MnO2的ZIHMSC集成应用系统。a)CV曲线和b)弯曲角度为0-150°时的GCD曲线。c)不同弯曲角度后的容量保持率。d)弯曲程度不同的60°角时的GCD曲线。e)弯曲60°不同时间后的容量保持率。f)ZIHMSC驱动的压力传感器在不同压力值下的I-t曲线。ZIHMSC供电的压力传感器用于检测g)人体手指h)手腕和i)弯曲站下的手臂活动。j)ZIHMSC驱动的LED灯和时钟的光学照片

研究结论

本研究通过面鳞电沉积技术制备了柔性V2CTx//MnO2ZIHMSC。通过匹配不同电极材料的功函数，该器件表现出优异的电化学性能。它可以实现1.9V电压窗口、306mFcm−2的较大面积电容以及470µWcm−2的能量密度150µWhcm−2。利用原位XRD、非原位XPS/SEM分析阐明了基于V2CTx//MnO2的ZIHMSC的电化学储能机理。该机理主要由Zn2+和H+在V2CTx和MnO2层中的嵌入/脱嵌所主导。此外，该器件表现出优异的柔韧性和机械性能，在60°角度弯曲15000次后仍保留74.29%的容量。单个设备能够连续为数字显示器和时钟供电超过5小时，凸显了其在柔性可穿戴电源设备中的良好应用前景。