近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員邸江濤等與佐治亞理工學(xué)院教授Ching-ping Wong合作，設(shè)計(jì)并制備出鋅摻雜氧化銅納米線（Zn-CuO）三維陣列結(jié)構(gòu)，為電化學(xué)活性物質(zhì)MnO₂提供導(dǎo)電支架，獲得高負(fù)載的MnO₂納米片材料。將生長(zhǎng)在銅線表面的Zn-CuO@MnO₂材料用于同軸非對(duì)稱纖維型超級(jí)電容器正極材料，獲得了高的比容量及寬的工作電壓窗口。

　　同軸非對(duì)稱纖維型器件具有體積小、便攜、工作窗口大等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為在未來(lái)柔性可穿戴及微型的電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而目前，同軸非對(duì)稱纖維器件仍存在能量密度低、電極材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限性等問(wèn)題，這限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。二氧化錳具有高的理論容量、低成本、低毒性和環(huán)境友好等特性，被認(rèn)為是優(yōu)異的電化學(xué)活性材料。然而，二氧化錳材料低的導(dǎo)電性和易于團(tuán)聚的問(wèn)題導(dǎo)致了其有限的比容量和功率密度。

　　為解決上述問(wèn)題，蘇州納米所研究員李清文團(tuán)隊(duì)與Ching-ping Wong團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)并制備出Zn-CuO@MnO₂納米線陣列電極；使用Zn_0.11CuO@MnO₂作為核電極（正極）、生長(zhǎng)在碳納米管薄膜上的VN納米線陣列作為負(fù)極，包覆在核電極表面組裝同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器。

　　Zn-CuO納米線通過(guò)一步法原位生長(zhǎng)在銅線表面，為MnO₂提供導(dǎo)電支架和沉積基底。Zn摻雜進(jìn)入CuO晶格提高了CuO的導(dǎo)電性，改進(jìn)了MnO₂納米片在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中與導(dǎo)電基底之間有效的電子傳輸。與其他導(dǎo)電支架相比，Zn-CuO納米線為復(fù)合電極貢獻(xiàn)了部分容量。通過(guò)摻雜不同含量的Zn，獲得了導(dǎo)電性和比容量較佳的Zn_0.11CuO納米線材料。其能夠負(fù)載MnO₂的質(zhì)量達(dá)12.4 mg/cm²，使電極獲得了高的面積比容量（4.26 F/cm²）。

　　該同軸非對(duì)稱器件的工作電壓能夠達(dá)到1.8 V，比容量為296.6 mF/cm²，能量密度為133.5 mWh/cm²（功率密度為0.9 mW/cm²)。與其他同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器相比，該研究制備的器件的能量密度和功率密度明顯優(yōu)于其他同類器件。為進(jìn)一步驗(yàn)證其在可穿戴柔性器件領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員考察了同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器在不同彎曲條件下的電化學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，在不同彎曲條件下，器件充放電曲線無(wú)明顯變化，這說(shuō)明其在外力形變狀態(tài)下，具有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性及循環(huán)穩(wěn)定性。這種同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器能夠點(diǎn)亮一個(gè)2 V的LED小燈泡并能維持60 s。該研究成果的發(fā)表為纖維型儲(chǔ)能器件在柔性可穿戴領(lǐng)域的發(fā)展提供了進(jìn)一步的可能性。

　　相關(guān)研究成果以Atomic Modulation 3D Conductive Frameworks Boosts Performance of MnO₂ for Coaxial Fiber-Shaped Supercapacitors為題，發(fā)表在Nano-Micro Letters上。蘇州納米所助理研究員、博士王曉娜為論文第一作者，邸江濤、李清文、Ching-ping Wong為論文的通訊作者。

　　圖1.（A-F）同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器制備示意圖。（G）同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器截面示意圖

　　圖2.（A-B）CuO，CuO@MnO₂，Zn_0.11CuO and Zn_0.11CuO@MnO₂電極電化學(xué)充放電曲線及比容量與壓降圖。（C）MnO₂負(fù)載量與沉積時(shí)間的關(guān)系。（D-E）Zn_0.11CuO@MnO₂電極在不同MnO₂負(fù)載量時(shí)面積和質(zhì)量比容量的關(guān)系。（F）Zn_0.11CuO@MnO₂電極循環(huán)穩(wěn)定性

　　圖3.（A）同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器在不同彎曲狀態(tài)下的光學(xué)圖片。（B）在1-3彎曲狀態(tài)下，同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器的充放電曲線。（C）在90度彎曲狀態(tài)下，器件的充放電循環(huán)測(cè)試。（D）同軸非對(duì)稱超級(jí)電容器在便攜式可穿戴領(lǐng)域展示出潛在的應(yīng)用前景