近日，四川大学青年教师吉俊懿副教授带领的新能源材料课题组在能量存储器件研究方面取得重要进展，相关成果“Construction of Vertically Aligned PPy Nanosheets Networks Anchored on MnCo2O4 Nanobelts for High-Performance Asymmetric Supercapacitor”发表于国际知名期刊《Journal of Power Sources》上（Elsevier旗下的能源类老牌期刊， 2016年影响因子6.395）。该论文第一作者为四川大学永利官网2016级硕士生王飞飞，永利官网吉俊懿副教授为该论文的通讯作者。

近年来，利用和开发高端储能装置成为重要的研究热点课题。作为一种新型的储能装置，超级电容器由于其高功率密度和长循环寿命引起了人们的极大兴趣。而相对于双电层电容，利用金属氧化物的电化学氧化还原反应存储能量的赝电容可以提供更高的能量密度。多元过渡金属氧化物NM2O4（M或N = Mo，Co，Fe，Mn等）被认为是具备潜力的新一代储能材料，因为它们具有优良的导电性、不同元素的协同效应和环境适应性，其中钴酸锰因其理论电容高（约3619 F g-1）、成本低和自然丰度高等优点逐渐引起人们的重视。然而，纯钴酸锰材料的实际容量远低于其理论值，这可能与其电子传递阻力大和活性材料利用率低有关。

导电聚合物聚吡咯（PPy）可以作为超级电容器中的导电剂和活性材料。与碳基导电纳米材料相比，PPy层不仅可以物理包附金属氧化物，也可以通过原位聚合生长为三维结构。包附的三维PPy连续结构可以形成到多孔活性材料内表面的高电子途径，从而提高电子的传输速率。另一方面，PPy涂层厚度的增加会增加离子扩散阻力，因此在电子和离子传输速率之间会出现“Trade-Off”效应。因此，合适的PPy结构设计和可控合成仍然是制造高性能电极的一个挑战。

图1. a) PPy@MnCo2O4/GNF复合材料合成图；b) 电子/离子迁移路径示意图。

吉俊懿副教授课题组针对这一问题，特异性设计了一种具有交叉网络片结构的PPy包裹层，首次报道了垂直交叉片式PPy@MnCo2O4纳米带复合材料。在聚合反应过程中，掺杂剂对甲苯磺酸可以部分蚀刻MnCo2O4纳米带，同时解离的Mn/Co离子可以充当交联剂构建三维的PPy纳米结构。垂直排列的PPy纳米片网络可以转移电子到MnCo2O4纳米带，而由纳米片包围的纳米孔洞可以储存电解质，同时MnCo2O4表界面更薄的PPy能够降低离子迁移距离，从而提升活性物质利用效率。PPy@MnCo2O4/GNF复合材料在1 A g-1的电流密度下具有2364 F g-1的最高比电容，具有较高倍率性能（当电流密度为50 A g-1时，具备55.2％的电容保持率）和循环稳定性（1000次循环后的电容保持率为85.3％）。此外，以PPy@ MnCo2O4/GNF和a-MEGO为正极和负极组装的不对称超级电容器结构在6 M KOH水溶液中显示最高的能量密度为25.7 W h kg-1，功率密度为16.1 kW kg-1。因此，通过该理性结构设计的PPy包附提高金属基材料的电化学性能可能对下一代储能电极的设计提供借鉴作用。

图2. a-f) 不同浓度PPy包裹的MnCo2O4/GNF复合材料SEM图；b) PPy@MnCo2O4纳米片表界面PPy垂直交叉片TEM图。

该项研究得到了国家自然科学基金项目（21506130，21490582，21776187）、中央高校基本科研业务费、高分子材料工程国家重点实验室自主课题经费资助（sklpme2017-3-01）等项目资助。

原文连接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318304816

高敏 吉俊懿 撰稿

钮大文 审核

高敏 编辑

2018年5月14日