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为提升超级电容器性能，研究人员制备钴锰氧化物 / 氢氧化物修饰碳布电极，性能优异，助力可穿戴设备发展。
在科技飞速发展的今天，各类电子设备对电力的需求与日俱增。传统的供电系统已难以满足需求，人们迫切需要开发可再生、可持续的能源存储材料。在众多能源存储设备中，柔性超级电容器（FSCs）凭借其超高功率密度、出色的柔韧性和可变形性、重量轻、与纺织工业兼容性高以及卓越的安全性，成为了可穿戴和智能电子产品的关键部件，备受关注。然而，碳布（CC）作为一种具有良好导电性、机械柔韧性和化学稳定性的材料，虽被视为 FSCs 的理想集流体 / 电极材料，但因其固有电容极低，无法直接用作超级电容器（SCs）的电极。
为了解决这一问题，来自伊朗伊斯法罕理工大学（Isfahan University of Technology）的 Mohamad Mohsen Momeni 和 Fatemeh Mohammadinejad 开展了相关研究。他们通过一步水热法在碳布表面原位生长了氢氧化钴、氧化锰以及不同锰钴比的钴锰氧化物 / 氢氧化物，将这些材料作为柔性超级电容器的自支撑电极。该研究成果发表在《Heliyon》上。
在这项研究中，研究人员用到了多种关键技术方法。通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）对电极的表面形态进行表征；利用 X 射线衍射（XRD）分析电极的晶体结构和相纯度；借助 X 射线光电子能谱（XPS）对活性材料进行定量分析，确定元素的化学状态和价态；采用三电极和两电极系统进行电化学分析，测试电极的电化学性能 。
下面来看具体的研究结果：
- 电极表面形态和结构表征：FESEM 图像显示，清洁碳布具有光滑有序的碳纤维结构。与裸碳布相比，沉积了氢氧化钴、氧化锰和钴锰氧化物 / 氢氧化物的碳布呈现出不同的形态。钴锰氧化物 / 氢氧化物在碳布上均匀分布，形成了独特的相互连接的纳米片阵列，这种结构有助于提高器件的比电容。XRD 分析表明，在碳布表面成功形成了金属氧化物 / 氢氧化物。XPS 分析进一步证实了氧化物和氢氧化物在化合物表面的形成 。
- 电化学性能测试：在三电极系统中，研究人员对裸碳布、氢氧化钴（C/CC）、氧化锰（M/CC）和不同钴锰氧化物 / 氢氧化物（CM/CC）电极的电化学性能进行了研究。CV 曲线显示，CM/CC 电极具有最大的曲线面积，表明其具有最高的电容性能。GCD 曲线表明，CM2/CC 电极具有最长的放电时间和最高的比容量。对 CM2/CC 电极的电荷存储机制分析发现，其电荷存储主要受表面赝电容行为的影响，电容控制过程在整体电化学过程中占主导地位。
- 准固态对称超级电容器的性能：研究人员使用两个 CM2/CC 电极组装了准固态对称超级电容器。该电容器具有较宽的工作电压窗口，在高扫描速率下，CV 曲线仍保持良好的矩形形状，表明其具有出色的可逆性和快速的电子转移能力。GCD 曲线呈现近似三角形，具有较小的 IR 降，表明该电容器具有良好的可逆性和较小的内阻。该电容器还具有较高的比容量和良好的循环稳定性，在 10000 次循环后电容保持率为 91%，并且具有较高的库仑效率。此外，该电容器还具有良好的柔韧性，在不同弯曲角度下，其电化学性能几乎没有变化。
- 实际应用测试：研究人员尝试用该超级电容器点亮三个标称电压为 1.6V 的红色 LED，点亮时间超过 1 分钟，这表明该装置具有实际应用潜力。
总的来说，该研究通过简单的水热法成功制备了由钴锰氧化物 / 氢氧化物生长在柔性轻质碳布上的超级电容器电极。CM2/CC 电极展现出优异的比电容和循环稳定性。由其组装的柔性对称超级电容器具有高能量密度、良好的柔韧性和稳定性，能够点亮 LED，具有实际应用价值。这项研究为柔性超级电容器的发展提供了新的思路和材料选择，有望推动下一代柔性和便携式电子设备的发展。
