西安交大科研团队激光辅助技术构筑多级结构铝微栅基阵列碳纳米管电极助力高性能超级电容器

传统化石燃料的不断消耗及其燃烧造成的环境污染和能源枯竭问题日益严重，开发可持续再生的新型清洁能源以及能源存储和转换系统已成为国内外研究热点和亟待解决的问题。超级电容器作为一种具有高功率密度和超长循环寿命的能量存储器件，近年来得到了广泛的关注和研究。超级电容器的性能主要取决于电极材料，传统制备电极的方式主要是涂布技术，这种方式虽然可以通过控制电极厚度来增加超级电容器的容量，但实际使用过程中由于电极材料过厚容易从集流体上脱落，从而影响电极循环寿命。为了解决这一问题，研究者通常将活性材料通过原位方法生长在金属铝集流体表面作为电极来获得具有高容量的超级电容器。然而，以往的研究结果表明，直接使用铝箔作为基底生长活性材料存在活性材料负载量低且与基底结合较差等问题，严重影响超级电容器的比容量和能量密度等性能。因此，如何提高活性材料的负载量以及活性材料与集流体之间的结合强度仍是一个挑战。

针对这一问题，西安交通大学化学学院杜显锋教授团队采用激光刻蚀技术结合化学气相沉积法设计并制备了一种具有多级结构的铝微栅阵列碳纳米管（VACNTs）电极，与通过传统涂布方法制备的CNTs电极相比，Al微栅VACNTs电极具有更高的活性材料负载量(13 mg cm-2)，与集流体之间结合较好，并且表现出优异的电化学性能。当电流密度为13 mA cm-2时，电极的面容量高达1,300 mF cm-2，而且在高电流密度下（130 mA cm-2）循环20,000圈后容量保持率为90%以上。此外，由于集流体与活性材料之间具有良好的机械强度和柔韧性，在多次多角度弯曲后仍然表现出良好的性能。该项研究结果表明具有多级结构的Al微栅VACNTs电极在高性能、柔性和可穿戴超级电容器储能器件领域具有良好的应用潜力。

该项研究工作于近期发表在国际能源领域顶级期刊 Advanced Functional Materials 上，题目为“Ultrahigh-Areal Capacitance Flexible Supercapacitors Based on Laser Assisted Construction of Hierarchical Aligned Carbon Nanotubes（激光辅助技术构建具有多级结构的阵列碳纳米管基高面容量柔性超级电容器）”。论文第一作者为化学学院新能源材料化学研究所博士生黄珊，熊礼龙副教授和杜显锋教授为通讯作者，西安交通大学为唯一通讯单位。该研究工作是西安交通大学化学学院杜显锋教授课题组在高性能超级电容器领域的又一研究成果，并且获得国家自然科学基金和陕西省自然科学基金重点项目的支持。杜显锋教授团队长期致力于储能材料的设计和制备以及储能器件的研究，目前已在Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials and Interface、Journal of Powder Sources 等国际学术期刊上发表系列高水平科研成果。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104531