高性能柔性微超级电容器，能够在高电流密度下进行充放电

《Journal of Energy Storage》：High-performance flexible micro-supercapacitors capable of charging and discharging under high current density

柔性微超级电容器实现25 mA/cm2超高充电密度，电极结构优化与界面工程协同提升比电容至207.50 mF/cm2，支持0.41-25.00 mA/cm2宽范围恒流充放电，突破传统MSC性能瓶颈，适用于可穿戴设备、植入式医疗器件及微型脉冲电源。

　　

Xuan Yao|Chang Gao|Jingru Peng|Qing You|Hanyu Wang|Jingye Sun|Danke Chen|Xue Li|Yuning Li|Yaxuan Liu|Chunlong Li|Jiaxi Wang|Tao Deng

北京交通大学电子与信息工程学院，中国北京，100044

摘要

微超级电容器（MSCs）作为微电子设备的能量存储单元，其性能在很大程度上取决于快速的充放电能力，而这又受到充电电流密度的控制。然而，由于离子传输阻力大、界面阻抗高以及器件结构不稳定，实现高充电电流密度仍然是一个挑战。本文报道了一种具有超高可充电电流密度（25 mA/cm2）和面积电容（207.50 mF/cm2）的柔性MSC。这一卓越性能源于电极结构优化与电极/电解质界面工程之间的协同作用。此外，该器件能够在0.41–25.00 mA/cm2的宽电流密度范围内实现高效恒流充电，显示出比大多数报道的MSC更宽的工作窗口。我们认为，这种具有高充放电电流的MSC在需要瞬时高功率和高效能量回收的应用中具有巨大潜力，例如可穿戴电子设备、植入式医疗设备和微型脉冲电源系统。

引言

随着物联网（IoT）、可穿戴电子设备和植入式医疗仪器的快速发展，对小型化和柔性储能器的需求日益迫切[1]、[2]。在各种微储能组件中，微超级电容器（MSCs）因其高功率密度、超快充放电速率和长循环寿命而受到广泛关注，使其成为驱动这类微型电子设备的理想电源[3]、[4]。特别是在许多实际应用场景中，能量获取过程可能非常动态，要求器件在极短时间内完成能量存储。因此，MSC的快速充放电能力成为决定其实用价值的关键性能指标之一。快速充放电的核心在于器件是否能够在超高电流密度下保持高效稳定的运行。

然而，在高电流密度下实现MSC的高效运行面临重大科学挑战。当电流密度急剧增加时，器件内部会出现一系列不利现象：首先，电极孔隙和电解质中的离子传输阻力显著增加，导致严重的动力学极化；其次，电极-电解质界面的电荷传输阻抗急剧上升，造成较大的电压降（IR-drop）和能量损失；此外，频繁的离子嵌入/脱嵌以及由此产生的焦耳热容易引发电极材料的结构退化、活性物质脱落和界面接触失效，从而影响器件的循环稳定性。尽管研究人员通过开发新型电极材料或优化电解质配方在一定程度上提高了MSC的性能，但同时解决电子传导、离子传输和界面稳定性这三个关键瓶颈仍然具有挑战性[5]、[6]。因此，如何通过创新的器件设计在系统层面实现整个储能和传输过程的协同优化，是实现高性能、高倍率MSC的重大挑战。

为了解决上述问题，本文报道了一种能够在超高电流密度（25.00 mA/cm2）下稳定充电的高性能柔性MSC。该器件表现出出色的电化学性能，包括高面积电容（207.50 mF/cm2），并在0.41至25.00 mA/cm2的宽电流密度范围内实现高效恒流充放电，其工作窗口远超大多数报道的MSC。这一突破性性能的关键在于我们从宏观电极到微观界面的多层次协同优化。这一策略的核心是将电极结构优化和电极/电解质界面工程整合为一个整体。在电极中，通过化学键合将活性炭（AC）的多孔储能能力和石墨纸（GP）的平面导电性牢固结合，为高电容和低电阻奠定了坚实的基础；在电极/电解质界面，利用激光引导离子快速到达活性位点构建了极性网络。这种跨尺度的协同设计为克服高电流密度下的电子和离子传输瓶颈提供了结构基础。这一概念为下一代高性能微储能器在极端工作条件下的开发提供了通用路径。

化学物质和试剂

用于超级电容器的石墨纸（GP，50 μm）购自XFNANO。活性炭（AC）购自佛山市多孔碳科技有限公司。N-甲基吡咯烷酮（NMP）为分析级，购自Macklin公司。Ketjen Black用作导电块（CB），购自Dodochem公司。聚（乙烯醇）（PVA）购自上海天禧爱化工发展有限公司（n ≈ 1700）。硫酸购自天津富宇精细化工有限公司。

材料表征与测量

作为储能的核心部位，电极的微观结构直接决定了其比表面积、离子可及性和电子传输路径，从而影响最终的电化学性能。为了验证制备电极的微观形态是否满足高性能MSC的设计要求，首先进行了扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜成像分析。如图2a–b所示，可以观察到活性炭（AC）在电极上均匀分布。

结论

本文成功设计并制备了一种能够在超高电流密度（25 mA/cm2）下稳定充电的柔性MSC。该器件表现出出色的整体性能，具有高达354.65 mF/cm2的面积电容，并能在0.41至25.00 mA/cm2的宽电流密度范围内实现高效恒流充电，性能优于大多数同类器件。这种突破性性能归功于多种因素的协同作用。

CRediT作者贡献声明

Xuan Yao：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化。Chang Gao：指导。Jingru Peng：验证。Qing You：软件开发。Hanyu Wang：方法学设计。Jingye Sun：实验研究。Danke Chen：数据可视化。Xue Li：数据管理。Yuning Li：指导。Yaxuan Liu：数据管理。Chunlong Li：数据可视化。Jiaxi Wang：实验研究。Tao Deng：指导。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Xuan Yao表示获得了北京交通大学的财务支持。Xuan Yao与北京交通大学存在非财务支持关系。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号22409017）、北京市自然科学基金（编号2244100）、中央高校基本科研业务费（编号2023XKRC027）、中央高校基本科研业务费（编号2023JBMC039）以及伟臻有限责任公司的支持。