亚洲色吧 课题组在构建超高性能平面微型超级电容器方面取得进展
供稿、供图：亚洲色吧 编辑：田柳
近日，亚洲色吧 赵扬教授联合清华大学曲良体教授、王赢博士团队在国际顶级化学期刊《ACS Nano》上发表题目为“Cascaded Spatial Confinement Enables Simultaneous Ultrahigh Energy and Power Densities in Planar Micro-Supercapacitors”的研究论文（DOI: 10.1021/acsnano.6c02331）。亚洲色吧 为第一通讯单位，亚洲色吧 赵扬教授、清华大学曲良体教授、王赢博士为本论文的共同通讯作者，亚洲色吧 姜澜院士为本研究的合作者，亚洲色吧 23级硕士研究生陈瑜为论文第一作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、京津冀基础研究合作专项等项目支持。
随着柔性电子、可穿戴设备及集成微系统的快速发展，对与之匹配的微型化、高性能电源的需求日益迫切。平面微型超级电容器（P-MSCs）因与微电子器件兼容性好、无需隔膜、离子扩散路径短等优势，成为理想的候选电源。然而，受限于器件尺寸和平面构型，其能量密度远未达到实际应用需求。如何在有限空间内协同优化电子与离子的传输与存储行为，是当前领域亟待解决的关键问题。
针对上述挑战，研究团队提出一种级联空间限域策略，构建了具有三维互锁结构的P-MSC，该策略将毛细力与电荷传输/存储行为耦合，实现了离子-电子的富集效果。通过在石墨箔集流体上激光刻蚀的金字塔形微阵列产生毛细力，将电极浆料和电解液限域在微沟槽内，构建致密的导电网络，并建立稳固的离子-电子相互作用界面，显著提升了离子的可及性和动力学性能。以锌//活性炭P-MSC为例，该策略将活性材料利用率提升了两倍以上，实现了117.5 mWh cm-3的优异能量密度和2382.0 mW cm-3的功率密度。该策略在多种P-MSC体系中展现出可靠的普适性。
图1. 平面微型超级电容器中级联空间限域策略的结构设计与性能优势对比
图2. 三维互锁结构平面微型超级电容器的制备与表征
图3. 基于级联空间限域策略的性能提升机制研究
制备的集成器件在为小型电子设备和柔性显示器供电方面显示出显著优势，为未来高度集成、可穿戴的电子设备提供了理想的供电解决方案。
图4. 集成器件应用验证
文章链接：//doi.org/10.1021/acsnano.6c02331
（审核：王振华）
