研究背景
       日益增長的可穿戴智能電子產(chǎn)品推動了柔性儲能設備的持續(xù)發(fā)展。憑借其柔性好、體積小、質(zhì)量輕和可編織的優(yōu)勢，纖維狀超級電容器被認為是理想的柔性儲能器件。但低能量密度是制約其應用的主要因素。

       工作介紹

       近日，德國錫根大學姜辛/楊年俊課題組成功制備了一種柔性金剛石纖維（一種以碳纖維為核，外圍CVD沉積硼摻雜金剛石包裹的核殼結構）。由于該復合材料有效結合了碳纖維和硼摻雜金剛石的特性，使用柔性纖維狀超級電容器正極材料將可以實現(xiàn)其優(yōu)異的綜合性能。通過結合鋅離子混合電容器的高儲能、安全和低成本等特點，文章構建了以該柔性金剛石纖維為正極、鋅納米片包覆的金剛石纖維為負極的高性能鋅離子混合電容器。值得一提的是，無論是從體積還是質(zhì)量上計算，該柔性金剛石電容器都具有高功率密度和高能量密度，且在不同彎曲角度下性能沒有變化。此工作為柔性金剛石電容器在可穿戴電子設備中的應用開拓了前景。該文章發(fā)表在Adv. Energy Mater. 上。德國錫根大學博士研究生菅澤為本文第一作者。

       內(nèi)容表述

       實現(xiàn)高能量密度的纖維狀超級電容器的一個有效路徑是設計和制備高性能新型纖維電極材料。近年來硼摻雜金剛石作為一種SP3-碳電極材料由于其寬電勢窗、高化學穩(wěn)定性和環(huán)境友好等優(yōu)越性能備受關注。然而由于硼摻雜金剛石通常沉積在缺乏柔性的硬質(zhì)基材上（如硅片或金屬基板），或已見報道自支撐金剛石紙或金剛石網(wǎng)絡結構雖具有柔性但其機械穩(wěn)定性和離子、電荷傳輸受限，因此有關金剛石影柔性電子器件（比如呀超級電容器）鮮見報告。本文設計的金剛石纖維用作柔性纖維狀超級電容器正極材料實現(xiàn)金剛石和柔性纖維兩者的優(yōu)異性能。
       增加纖維狀超級電容器能量密度的另一個手段是構建混合電容器。因為它可將傳統(tǒng)超級電容器的儲能機制和電池的法拉第過程相結合，從而同時實現(xiàn)高能量密度和高功率密度。基于鋅離子混合電容器的高儲能、安全和低成本等優(yōu)勢，本文設計了柔性金剛石鋅離子混合電容器。該柔性金剛石電容器的高贗電容來自三方面：（1）鋅離子電容器在正負極上的混合儲能機制；（2）金剛石纖維表面的氧化官能團帶來的贗電容；（3）金剛石纖維與電解液中溶解氧發(fā)生的氧還原反應在放電過程中提供了額外的電容。
       所制備的柔性金剛石纖維是在碳纖維表面均勻覆蓋了一層致密的硼摻雜金剛石薄膜。碳化鈦中間層的引入顯著的提高的生長在碳纖維上金剛石薄膜的質(zhì)量，同時它也有助于減少電解液和金剛石纖維電極之間電荷轉(zhuǎn)移的阻力。         

圖1. 柔性金剛石纖維的材料表征。

       該柔性金剛石鋅離子混合電容器在709.0 W kg-1的功率密度下?lián)碛?0.7 Wh kg-1的能量密度。即便在4395.3 W kg-1的高功率密度下，其能量密度仍然可以保持16.2Wh kg-1。在4395.3 W kg-1的高功率密度下，整個電容器的充放電時間是25.7s。無論是從體積還是質(zhì)量上計算，該柔性金剛石電容器都展現(xiàn)出了相比其他電池和電容器更高的功率密度和能量密度。在大電流密度10 A g-1的條件下，經(jīng)過了10 000圈的循環(huán)后，其比電容量仍保留89.9%。作為演示，串聯(lián)兩個該柔性金剛石電容器可以供應16盞LED燈持續(xù)工作超過70s。值得注意的是正負電極的總質(zhì)量只有1.6 mg。

圖2. 柔性金剛石電容器的電化學性能

       該金剛石超級電容器展現(xiàn)出良好的柔性。在30°、60°甚至U彎的彎曲變形下，該器件的電化學性能幾乎沒有變化。即使經(jīng)過1000次60°的彎曲實驗，比容量只減少了2.43%。

圖3. 柔性金剛石電容器的柔性測試

       結論

       該工作制備的柔性金剛石纖維是一種以碳纖維為核，表面CVD沉積硼摻雜金剛石包裹的核殼結構。得益于碳纖維和硼摻雜金剛石兩者的優(yōu)越的性能，由該材料構建的柔性金剛石電容器展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，為金剛石在柔性電子器件（如可穿戴電子設備）的應用提供了廣闊前景。另外，文章中的制備柔性電極的方法作為普遍適用的策略可為未來柔性電子器件材料的設計和合成提供了一種切實可行的方案。 

       Jian, Z., Yang, N., Vogel, M., Leith, S., Schulte, A., Sch?nherr, H., Jiao, T., Zhang, W., Müller, J., Butz, B.,Jiang, X., Flexible Diamond Fibers for High‐Energy‐Density Zinc‐Ion Supercapacitors.Adv. Energy Mater. 2020, DOI:10.1002/aenm.202002202  

       作者簡介

       姜辛教授，德國錫根大學 C4 級終身教授，中國科學院金屬研究所特聘研究員，中國科學技術大學博士導師。德國亞琛工業(yè)大學自然科學博士，德國布倫瑞克技術大學材料科學博士（Dr. rer. nat. habil.），材料科學家。曾任德國弗朗霍夫表面工程和薄膜技術研究所(FhG-IST)資深科學家（Senior Scientist）、德國錫根大學材料研究所執(zhí)行所長、錫根大學材料創(chuàng)新中心主任、德國錫根大學機械工程系博士學位委員會主席、沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室、功能薄膜與界面研究部主任、物理研究所和硅酸鹽研究所客座教授、香港城市大學客座教授、德國科學基金會（DFG）、洪堡基金會（AvH）、及以色列和香港城市大學的科學基金評審專家；中國科學院海外評審專家、大連理工大學長江學者講座教授。
       楊年俊博士，德國錫根大學任高級研究員及納米課題組組長。畢業(yè)于日本國立福井大學，曾先后在美國新墨西哥州立大學、日本國立產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所(AIST)、德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（Fraunhofer-IAF）從事研究工作。近些年在 Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.，Nat. Commun. 等志上發(fā)表論文130多篇；出版《NovelAspects of Diamond》、《Carbon Nanoparticles and Nanostructures》等專著4部、系列叢書1部、撰寫書章節(jié)9次。擔任 Small、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces、Carbon 等雜志的客座主編，任 Sci. Rep. 和 Dia. Relat. Mater 等雜志的編委；是歐洲材料年會（E-MRS）分會主席、Hasselt 金剛石研討會及金剛石及碳材料國際會議的委員會成員；已組織主持召開國際會議數(shù)十次。