MnO 2與木質素製成的高效能柔性綠色環保超級電容器的設計與合成

為了滿足不斷增長的能源需求，必須有一個可持續發展的環境。因而更關注更具有高能量密度的能量儲存裝置，例如鋰離子電池，電容器和超級電容器。與商用電容器相比，超級電容器具有更高的能量密度，功率密度和更長的放電時間。這些優點使超級電容器對於需要長時間持續使用高功率的大量應用至關重要。為了消除傳統使用的液態電解質的潛在燃燒風險，並且為了易於使用和攜帶，非常需要全固態的超級電容器。

近年來，柔性電子產品吸引了極大的關注，有關於設計，製造許多報告，以及製造柔性固態和行動式超級電容器。非對稱超級電容器有助於將工作電壓範圍擴充套件到電解質分解的熱力學電壓之上。此外，非對稱設計克服了對稱超級電容器設計中經常看到的電荷儲存限制。但是，在電廢料，生物不可降解性，高處理成本，非耐用性，固有的不安全設計和不可擴充套件性方面仍然存在挑戰。超級電容器的效能和環境可持續性在很大程度上取決於所使用的加工方法和材料。在電化學裝置中使用最先進的生物材料面臨著諸多挑戰，例如未知的表面化學，低體積能量密度，隨機的孔分佈，不受控制的孔幾何形狀和結構。這些挑戰嚴重影響了預製電極的效能，迴圈壽命，電容保持率，並限制了潛在的應用範圍。

由生物質生產碳纖維的現代方法包括靜電紡絲，噴墨印刷和噴塗，但是這些技術使用危險化學品，並且碳足跡較高。由於廣泛使用的PAN纖維使用危險的化學藥品，而且價格昂貴，因此等人使用卡夫木質素並進行了鹽基氧化（包括靜電紡絲）。鹼木質素具有高的氧百分比，這對於有利的偽電容特性非常有利，但是，這也限制了電導率。在昂貴的硫酸鹽法木質素工藝或改良工藝中使用鹼木質素之間進行選擇時，必須妥協。當前，迫切需要一種更簡單，更安全的啟用過程，以產生高效能的特性。

已知的木質素碳材料電極

先進的柔性超級電容器遭受電化學和環境效能問題，包括製造費用限制。因此，需要一種高效且低成本的策略來開發超級電容器。在最近的工作中，木質素已被用作超級電容器電極的活性材料。創新的木質素-矽複合電極，合成作為鋰離子電池的陽極。木質素衍生的碳材料也已經與導電聚合物結合，從而產生了高的比電容和能量密度。最近木質素衍生了MWCNT，從而製成了可印刷的基於MWCNT的電極，而RUO 2 / MWCNT奈米複合材料用作電極的活性材料。大多數研究報道了使用木質素作為碳前體，或者它被預處理，然後與導電聚合物，過渡金屬氧化物等，以增強它們的效能。然而，用於合成它們的過程是廣泛且昂貴的。

關鍵研究內容

專案研究負責人梁說："與通常用於製造電極的其他過渡金屬氧化物（如釕或氧化鋅）相比，二氧化錳更便宜，數量眾多且更安全。" "但是二氧化錳的主要缺點是它的電導率較低。"

過去的研究表明，木質素是一種將木材纖維粘合在一起的天然聚合物，與金屬氧化物一起使用可增強電極的電化學效能。但是，梁說，很少有研究試圖將二氧化錳和木質素結合起來利用它們的兩個有用特性。

為了製造電極，梁和她的團隊用一種常用的消毒劑高錳酸鉀處理了純化的木質素。然後，他們施加較高的熱量和壓力以引發氧化反應，從而導致高錳酸鉀分解並在木質素上沉積二氧化錳。接下來，他們將木質素和二氧化錳混合物塗覆在鋁板上以形成綠色電極。最終，研究人員透過將凝膠電解質夾在木質素-二氧化錳-鋁電極與另一個由鋁和活性炭製成的電極之間來組裝超級電容器。

複合電極和電解質凝膠的製備

超級電容器使用Al / AC作為陰極，Al /木質素/ MnO 2作為陽極來構建。塗覆電解質的隔膜被夾在兩個電極之間。超級電容器的組裝過程的圖示在圖中示出。

木質素/ MnO 2超級電容器的 製備工藝

結論

使用便捷且低成本的合成方法成功製造了新型的生物質衍生超級電容器。超級電容器輕巧，便攜且靈活。與AC（陰極）相比，木質素/ MnO 2（陽極）顯示出更高的表面堆積密度。較高的表面堆積密度導致獲得較高的能量密度值。

研究結果揭示了三個方面：（a）鹼木質素可以用作活性材料，以獲得用於超級電容器的高效能電極。（b）最佳木質素：MnO 2比值導致高的比電容和高的保留率。（c）在這項工作中開發的一種廉價，可持續和綠色化學的設計和製造策略，用於鹼性木質素超級電容器，與傳統使用的危險且昂貴的工藝相比，顯示出顯著的進步。