北理工課題組在構建超高性能平面微型超級電容器方面取得進展
發(fā)布日期：2026-04-20 供稿：化學與化工學院 攝影：化學與化工學院
編輯：田柳 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學化學與化工學院趙揚教授聯(lián)合清華大學曲良體教授、王贏博士團隊在國際頂級化學期刊《ACS Nano》上發(fā)表題目為“Cascaded Spatial Confinement Enables Simultaneous Ultrahigh Energy and Power Densities in Planar Micro-Supercapacitors”的研究論文（DOI: 10.1021/acsnano.6c02331）。北京理工大學為第一通訊單位，北京理工大學趙揚教授、清華大學曲良體教授、王贏博士為本論文的共同通訊作者，北京理工大學姜瀾院士為本研究的合作者，化學與化工學院23級碩士研究生陳瑜為論文第一作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、京津冀基礎研究合作專項等項目支持。
隨著柔性電子、可穿戴設備及集成微系統(tǒng)的快速發(fā)展，對與之匹配的微型化、高性能電源的需求日益迫切。平面微型超級電容器（P-MSCs）因與微電子器件兼容性好、無需隔膜、離子擴散路徑短等優(yōu)勢，成為理想的候選電源。然而，受限于器件尺寸和平面構型，其能量密度遠未達到實際應用需求。如何在有限空間內(nèi)協(xié)同優(yōu)化電子與離子的傳輸與存儲行為，是當前領域亟待解決的關鍵問題。
針對上述挑戰(zhàn)，研究團隊提出一種級聯(lián)空間限域策略，構建了具有三維互鎖結構的P-MSC，該策略將毛細力與電荷傳輸/存儲行為耦合，實現(xiàn)了離子-電子的富集效果。通過在石墨箔集流體上激光刻蝕的金字塔形微陣列產(chǎn)生毛細力，將電極漿料和電解液限域在微溝槽內(nèi)，構建致密的導電網(wǎng)絡，并建立穩(wěn)固的離子-電子相互作用界面，顯著提升了離子的可及性和動力學性能。以鋅//活性炭P-MSC為例，該策略將活性材料利用率提升了兩倍以上，實現(xiàn)了117.5?mWh?cm-3的優(yōu)異能量密度和2382.0?mW?cm-3的功率密度。該策略在多種P-MSC體系中展現(xiàn)出可靠的普適性。
圖1. 平面微型超級電容器中級聯(lián)空間限域策略的結構設計與性能優(yōu)勢對比
圖2. 三維互鎖結構平面微型超級電容器的制備與表征
圖3. 基于級聯(lián)空間限域策略的性能提升機制研究
制備的集成器件在為小型電子設備和柔性顯示器供電方面顯示出顯著優(yōu)勢，為未來高度集成、可穿戴的電子設備提供了理想的供電解決方案。
圖4. 集成器件應用驗證
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c02331
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