1.14北京理工大学赵扬研究员ACS Energy Letters：具有超高能量密度的4V平面锂离子微型超级电容器

第一作者：白聪聪

通讯作者：陈瑞*，赵扬*

单位：北京理工大学

便携式智能电子产品的快速发展刺激了对柔性、轻量化、小型化储能设备日益增长的需求。其中混合离子微型超级电容器(HIMCs)是微电子领域一种极具发展前景的电源，它由一个进行氧化反应的电池型电极和一个通过离子积累/分离储存电荷的电容器型电极组成，有望在不牺牲功率密度的情况下实现电压的扩宽和能量密度的提高。然而，目前所报道的锂离子微型超级电容器（LIMCs）和其他HIMCs的能量输出仍然不足以满足具有高能量阈值的电子系统实际应用的要求。

这往往是由于电池型电极材料首次充放电不可逆转的化学反应消耗的金属离子无法得到补偿，库伦效率较低，降低了能量密度。预金属化可有效补充额外所需的金属离子，同时形成稳定的SEI薄膜，提升其动力学性能。但目前微型电极的预金属化仍然是一个挑战，因为缺乏既可以满足电极材料的工程兼容性，又有助于实现微电极的金属化过程的高效加工策略。开发动力学匹配的电极材料以及简单、高效的微加工技术对于高性能HIMCs的发展至关重要。

近日，来自北京理工大学的赵扬特别研究员、陈瑞博士等人在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“A 4 V Planar Li-ion Micro-Supercapacitor with Ultrahigh Energy Density”的文章。该文章通过激光辅助策略，采用预锂化的CoMoO₄/RGO和竹源活性炭BAC分别作为电池型和电容型电极，组装了平面型锂离子微型超级电容器（LIMCs）。得益于正极表面快速的离子吸脱附过程和负极表面的多电子氧化还原反应，LIMC具有4 V的宽工作电位窗口，135.4 mF/cm²（150.4 μAh/cm²）的高面电容以及可达301 μWh/cm²（256 mWh/cm³）的能量密度。廊坊师范学院卢艳红教授对本文给予了重要的建议和指导。

通过激光加工技术可以很好的实现器件的图案化和微型化。由于激光的高精度，LIMC单个手指宽度和电极间隙仅为340 µm和280 µm，所制备的单个储能器件面积仅为0.1251 cm²。同时激光切割和组装策略可以在PET柔性基底表面实现集成，在满足需要不同电压阈值的各种电子设备的需求方面具有巨大的潜力。得益于其良好的柔韧性，即使在扭转、弯曲状态下也能保持其完整性。

该工作采用CoMoO₄/RGO复合材料作为负极材料，具有高孔隙结构的竹源活性炭BAC作正极材料。在半电池中，一系列的动力学过程实验表征表明，CoMoO₄/RGO的电化学过程主要为表面诱导的赝电容行为，表现出669.2 mF/cm² (371.8 μAh/cm²)的高面积比电容。而BAC则表现为双电层电容行为。与商用活性炭AC相比，BAC具有更高的面积比容和优异的倍率性能。在0.1 mA/cm²的电流密度下，其面积比容量为286.2 mF/cm²；当电流密度提升至0.7mA/cm²时，仍可保持243.92 mF/cm²的面积容量。这是由于其具有更多的孔隙结构，从而具有更大的比表面积，更小的电荷转移电阻和更好的锂离子扩散能力。

将CoMoO₄/RGO叉指电极组装半电池在低电流密度下进行放电实现预锂化过程。预锂化的CoMoO₄/RGO负极具有快速的反应动力学能力，同时BAC正极的具有高比表面积的多孔结构，两者相匹配的锂离子微型电容器表现出4V的宽工作电压窗口和135.4 mF/cm²（150.4 μAh/cm²）的高面电容。其面积能量密度可达301 μWh/cm²，优于大多数微型金属离子混合电容器。该LIMC可以驱动手表、笔筒、电子贺卡等各种不同电压阈值的电子产品，例如充电15分钟可为电子手表供电2小时。

A 4 V Planar Li-ion Micro-Supercapacitor with Ultrahigh Energy Density.

赵扬，北京理工大学化学与化工学院特别研究员、博士生导师。于北京理工大学获博士学位，曾在美国密西根大学安娜堡校区作访问学者。以通讯作者（或第一）身份发表SCI论文50余篇，其中包括Nat. Commun.、Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等，累计共发表SCI论文百余篇，文章引用次数达万余次。主持国家自然科学基金面上项目、北京市自然科学基金项目等，同时参与多项国家重大基础研究发展（973）计划课题、重点研发计划项目等。

陈瑞，北京理工大学博士后。在Sci. Adv.、Adv. Energy Mater.、Macromolecules、Iscience、Adv. Electron. Mater.等国际重要期刊发表多篇论文。

白聪聪，2021年毕业于北京理工大学，获硕士学位。自2018年进入赵扬老师课题组，主修方向是微型储能器件的设计和研发。

课题组主要研究方向为石墨烯、导电高分子等共轭碳基材料的结构设计与调控；激光微纳加工；多功能智能传感器件、微能源器件、柔性储能器件等领域的应用研究。