研究背景：

锌离子混合超级电容器因其高功率密度、固有安全性和成本效益，在可穿戴储能设备中引起了广泛的兴趣。然而，同时具有优异柔韧性和高能量密度的正极材料的缺乏，是制约其发展的主要障碍。

基于此，四川大学张楚虹教授等人设计与制造了一种新型中空碳纳米纤维电极，用于高性能柔性锌离子混合超级电容器。相关研究内容以“Evolving non-aggregated ZIF-8 nanoparticles into hierarchically porous hollow carbon nanofibers for high-performance flexible zinc-ion hybrid supercapacitor”为题目，发表于期刊《Polymer》上。

本文要点：

1、该研究设计了同轴静电纺丝ZIF-8衍生的中空碳纳米纤维膜电极(C-PAN(ZIF-8)@PVP)，以实现高性能柔性ZHSCs。

2、C-PAN(ZIF-8)@PVP电极的独特结构包括均匀分布的由ZIF-8衍生的多孔碳纳米颗粒组成的外壳，这些纳米颗粒由聚丙烯腈(PAN)衍生的N掺杂碳纤维结合在一起，以及通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分解形成的纤维通道。

3、这种独特的结构加上N, O共掺杂，使C-PAN(ZIF-8)@PVP电极具有充足的电解质浸润、完全暴露的活性位点和快速的电子传导途径，从而促进了离子扩散动力学、丰富的活性位点和增强的电子导电性。

4、因此，组装的ZHSC在1 A g⁻¹下提供了116 mAh g⁻¹的高可逆容量，在5 A g⁻¹下循环4000次的容量保持率为100%。此外，它表现出优异的机械柔性，能够在任意变形下提供稳定的输出。

C-PAN(ZIF-8)@PVP电极在锌离子混合超级电容器中的优势：

1、高可逆容量：电极在0.1 A g⁻¹ 时表现出116 mAh g⁻¹ 的高可逆容量，表明其在充放电循环过程中能够存储和释放大量能量。

2、优异的循环稳定性：经过4000个循环后，在5 A g⁻¹ 条件下仍保持76 mAh g⁻¹ 的容量，表明其具有长期稳定性和耐久性。

3、出色的倍率性能：电极在电流密度从0.1 A g⁻¹ 增加到5 A g⁻¹ 时，仍保持66%的容量，表明其能够在不同工作速度下提供高性能。

4、高能量和功率密度：采用C-PAN(ZIF-8)@PVP电极组装的锌离子混合超级电容器表现出高达91 Wh kg⁻¹ 的能量密度和3.5 kW kg⁻¹ 的显著功率密度，突显其高效输送和存储能量的能力。

5、卓越的机械柔韧性：电极表现出卓越的柔韧性，能够承受任意折叠、弯曲和变形，适用于可穿戴和柔性能源设备。

这些优势共同使C-PAN(ZIF-8)@PVP电极成为高性能和柔性锌离子混合超级电容器的有前景的候选者。

图1所示。(a) ZIF-8和C-PAN(ZIF-8)@PVP碳纤维膜电极的制备过程示意图。(b)合成的ZIF-8的XRD图谱和标准卡。(c)静电纺丝PAN(ZIF-8)@PVP纤维薄膜和(d) C-PAN(ZIF-8)@PVP碳纤维电极的TEM图像。

图2 静电纺丝纤维薄膜电极的形貌和微观结构表征。

图3 C-PAN(ZIF-8), C-PAN@PVP(ZIF-8) and C-PAN(ZIF-8)@PVP的电化学性能表征。

图4 碳纤维膜电极的电化学动力学研究。

图5 (a) Zn//C-PAN(ZIF-8)@PVP ZHSC结构示意图。(b-d)柔性C-PAN(ZIF-8)@PVP碳纤维薄膜电极的光学照片。柔性C-PAN(ZIF-8)@PVP碳纤维薄膜电极的摄影图像。三个软封装Zn//C-PAN(ZIF-8)@PVP zhsc串联在一起，在(e)平面和(f)弯曲状态下照亮2.8 V LED。两个柔性ZHSC串联在一起，为(g)折叠和(h)包裹状态下的电子表提供电源。(i)在电流密度为1 A g^-1时，90°弯曲状态下，组装Zn//C-PAN(ZIF-8)@PVP ZHSC循环100次的稳定性和库仑效率。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.polymer.2024.126829