缺陷工程碳纤维和双添加剂电解液构建超耐用柔性铁离子混合超级电容器

研究简介

开发兼具高能量/功率密度和成本效益的灵活储能系统仍然是一项关键挑战。本文提出了一种突破性的柔性铁离子混合超级电容器(IHSC)，其特点是采用碳纤维(CF)基正极和铁-负极复合材料，并通过结构工程和电解液稳定化进行协同优化。该正极源自水热蚀刻和退火的碳纤维(AHCF)，具有丰富的纳米孔隙(876.64m²g−1)和缺陷，可实现SO4²−离子的快速传输和存储。负极AHCF-Fe通过在富含缺陷的碳基底上实现稳定的Fe沉积来缓解体积膨胀。双添加剂电解液（EDTA和NaBO²）可稳定Fe²⁺离子，优化pH值(3.5)，并抑制腐蚀，从而实现无与伦比的电化学性能，峰值能量密度为1.31mWhcm−2，功率密度为30.32mWcm−2。值得注意的是，在20mAcm−2电流密度下，IHSC在20000次循环后容量保持率为94.54%。分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)计算证实了离子扩散动力学和界面相互作用增强的机制。该准固态IHSC表现出卓越的柔韧性，在弯曲、缝纫和切割条件下仍能可靠运行，为可穿戴电子设备供电。这项研究开创了一种经济高效、高性能的储能模式，将电池级能量密度与超级电容器般的功率传输相结合，从而推动柔性和可持续电子产品的发展。

图文导读

图1. AHCF正极和 AHCF-Fe负极的制备示意图及其作为柔性 IHSC 的组装应用。

图2. AHCF-2和AHCF-Fe的微观形貌和结构。a)SEM、b)TEM和c)AHCF-2的元素映射图。d)SEM、e)TEM、f)SAED图案和g)AHCF-Fe的元素映射图。h)N2等温吸附-解吸曲线和i)CF、HCF、ACF、AHCF-1、AHCF-2、AHCF-3的孔径分布。

图3.AHCF-2和AHCF-Fe的a)拉曼、b)XRD和c)XPS。AHCF-2的d)C1s和e)O1s的高分辨率XPS。f)AHCF-Fe的Fe2p。

图4.a)自放电曲线，b)5mVs−1时的CV曲线，c)和d)不同pH值下的IHSC的EIS图。e)3至50mVs−1的CV曲线，f)3至50mAcm−2的GCD曲线，g)Ragone图，以及h、i)pH=3.5的IHSC在20和5mAcm−2时的循环稳定性。

图5.IHSC的电化学动力学分析。a)2至6mVs−1的CV曲线，b)6mVs−1时的电容贡献率，以及c)不同扫描速率下的电容贡献百分比。d)AHCF-Fe负极在充电/放电测试中不同电位下的非原位XRD和e)SEM。

图6.a)电解液的MD模拟快照。Fe2+与b)H2O和c)EDTA的RDF。d)H2O和EDTA配位环境中Fe2+的绝热电离势。e)CF和AHCF的DOS分布。f)CF和AHCF分别与电解液之间的Eint。g)Fe离子在CF和AHCF表面的迁移路径和能量分析。

图7.a)柔性IHSC器件示意图。b)3至20mVs−1的CV曲线，c)3至20mAcm−2的GCD曲线，d)5mAcm−2下不同弯曲条件下的放电曲线，e)缝纫、裁剪和照明实验，以及f)柔性IHSC器件作为电子表带的照片。g)IHSC储能机制示意图。

研究结论

成功研制出一种新型高性能柔性IHSC器件。采用独特工艺制备的AHCF电极已被证实可促进SO42−离子的吸附/解吸机制，用作正极时亦是如此。此外，AHCF电极还被证实可有效促进Fe金属的沉积/剥离机制，用作负极时亦是如此。通过添加EDTA和NaBO2作为添加剂，解决了Fe2+在水溶液中不稳定性带来的挑战。除了实验结果外，分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)模拟进一步表明，EDTA能够在合适的pH范围内更有效地维持Fe2+的稳定机制。这种独特的改性使AHCF能够为电解液中的离子提供快速迁移通道和充足的存储空间。此外，IHSC器件表现出30.32mWcm−2的最佳功率密度和1.31mWhcm−2的出色能量密度，并展现出卓越的循环稳定性，进一步证实了上述结果。此外，其可缝合、裁剪、多角度弯曲后的操作能力在柔性储能领域展现出显著的竞争优势，为开发兼具功率密度和能量密度的高性能、低成本、安全可靠的柔性储能装置奠定了坚实的基础。