DOI:10.1016/j.cej.2020.128124

开发一种高效且具有高储能和承重能力的全固态结构超级电容器，以减轻重量/重量限制应用中的重量/体积仍然是一项挑战。仅仅依靠双电层的单一机理以及承重和储能要求之间的现有标准限制了碳基结构电极的整体性能。在本文中，研究者开发了一种超细Co3O4锚定高度多孔、中空N掺杂碳纳米纤维纱线（Co-NCFY）作为高性能多功能结构电极，其具有优异的机械和电化学性能。该器件的设计得益于假电容和双层储能机制。Co-NCFY具有良好的电化学性能（在1 mV s-1下的电化学容量为713 F g-1，经8000次循环后在20 A g-1下具有高于92％的优异循环稳定性，在209 W kg-1的功率密度下其能量密度为45.4 Wh kg-1）和承重能力（强度和杨氏模量分别为87.4MPa和26.4GPa）。Co-NCFY的电化学和机械性能均优于最近报道的结构电极材料。这些吸引人的特性使Co-NCFY有望成为高效结构储能设备的独特结构电极材料。

图1.Co-NCFY结构电极的制备示意图。

图2.a）P-CFY的低分辨率和a1-3）高分辨率SEM图像。b）A-CFY的低分辨率和b1-3）高分辨率SEM图像。c）Co-CFY的低分辨率和c1-3）高分辨率SEM图像。d）CO-NCFY的低分辨率和d1-3）高分辨率SEM图像。e）Co-CFY，f）Co-NCFY中碳（C），钴（Co），氮（N），氧（O）的EDS映射结果。g）A-CFY和h）Co-NCFY具有不同放大倍率的TEM图像。使用颜色编码。蓝色、黑色、红色和绿色框分别分配给P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY。每个框代表一种类型的合成CFY。

图3.a）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的拉曼光谱和b）全扫描XPS光谱。c）P-CFY，d）A-CFY，e）Co-CFY和f）Co-NCFY的C1s峰。g）Co-CFY和h）Co-NCFY的Co2p峰。i）P-CFY，j）A-CFY，k）Co-CFY和l）Co-NCFY的N1s峰。

图4.a）扫描速率为100 mV s-1时，P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的CV曲线，b）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的比电容与扫描速率的关系图，c）P-CFY、ACFY、Co-CFY和Co-NCFY在1 A g-1下的GCD曲线，d）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的Ragone图。e）8250次循环后，Co-NCFY的电容保持率。插图为在20 A g-1下的前四个循环和第8203-8206次循环。组装的全固态结构超级电容器设备和由结构超级电容器设备供电的LED的示意图。

图5.（a）Co-CFY和（b）Co-NCFY的b值。当扫描速率大于25 mV s-1时，两个样本的b值都在0.9-1的范围内。（c）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY超级电容器的奈奎斯特图（插图是等效电路）。（d）Co-NCFY的快速（蓝色）和慢速动力学（红色）过程的电容贡献与扫描速率的关系。

图6.从（b）P-CFY、A-CFY、Co-CFY和Co-NCFY的真实应力-应变曲线中（a）提取的表观强度、表观模量和应变造成的损坏，（c）比电容-强度阿什比图，用于比较文献中报告的结构电极材料与获得的Co-NCFY、Co-CFY和CFY的值,以及（d）CFY拉伸测试示意图。