采用Zn-铁氧体@聚吲哚包覆的碳布构成的对称型法拉第结构，用于高性能柔性伪电容器器件

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Symmetric faradaic assembly of Zn-Ferrite@Polyindole enrobed carbon cloth for high performance flexible pseudo-capacitor device

柔性超级电容器材料ZnFe2O4@PIn通过水热法与氧化聚合法制备，结构表征显示纳米球形貌，电化学测试表明其比电容达444.12 F/g，能量密度21.74 Wh/kg，功率密度250 W/kg，循环稳定性超过5000次，证实其作为柔性储能器件的潜力。

　　

马亨德拉·库马尔（Mahendra Kumar）| 苏尚塔·库马尔·萨马尔（Sushanta Kumar Samal）| 阿莱卡·库马尔·苏塔尔（Alekha Kumar Sutar）| 图恩加比迪亚·马哈拉纳（Tungabidya Maharana）

印度恰蒂斯加尔邦赖布尔国家技术学院化学系，邮编492010

摘要

目前，开发和研究用于节能和储能的材料及复合材料正成为研究人员关注的焦点。超级电容器是便携式电子设备的核心组成部分。柔性超级电容器被视为便携式和可穿戴电子设备的理想电源。与传统超级电容器一样，柔性超级电容器具有轻量化、柔韧性强的特点，同时具备高体积功率密度和较长的使用寿命。研究人员特别关注具有优异循环稳定性的柔性超级电容器。本文采用水热法合成了一种ZnFe₂O₄/聚吲哚（CC-ZnFe₂O₄@PIn）纳米复合材料，并通过氧化聚合吲哚在碳布上制备了无需粘合剂的柔性电极。XRD和SEM结构分析显示该材料呈纳米球状结构。在1 M H₂SO₄电解质中的电化学测试表明，CC-ZnFe₂O₄的比电容为193.38 F g^?1，而CC-ZnFe₂O₄@PIn复合材料的比电容在1 A g^{?1电流下可达444.12 F g?1。该复合材料还表现出优异的能量密度（21.74 W h kg?1）和功率密度（250 W kg?1），并在5000次循环后仍保持出色的循环稳定性。这些结果表明，CC-ZnFe₂O₄@PIn在提高电化学性能方面具有显著优势，使其成为高性能超级电容器应用的有希望的材料。}

引言

便携式、可穿戴及微型电子产品的快速发展加剧了对柔性储能系统的需求，这类系统需要提供高功率密度、长循环寿命和良好的机械耐久性[1,2]。超级电容器（也称为超电容器或电化学电容器）在能量存储和回收方面发挥着重要作用。随着柔性及可穿戴电子产品的迅速普及，研究人员亟需开发能够折叠、拉伸和弯曲的柔性超级电容器作为电源[3]。伪电容器因其在充放电过程中的快速反应动力学和比电容优势（优于双电层电容器EDLCs）而成为值得关注的选择[4, [5], [6]]。然而，伪电容器材料在实际应用中常面临导电性不足、离子扩散缓慢以及循环次数增加后结构退化等问题，这凸显了开发兼具优异电化学和机械稳定性的混合结构的必要性[7]。尖晶石铁氧体（MFe₂O₄）因其多价氧化还原反应特性、结构可变性和高理论电容而受到广泛关注[8], [9], [10]。锌铁氧体（ZnFe₂O₄）是一种理想的伪电容器材料，因为它对环境友好、资源丰富，并且具有丰富的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原反应，使其具有很高的法拉第活性[11]。基于ZnFe₂O₄的纳米结构（如多孔微球、纳米片、薄膜和异质结构）最近展现了出色的电化学性能[12], [13], [14]；当与导电基底或碳基材料结合使用时，其比电容可达300至1400 F g^?1，且在循环过程中非常稳定[12], [13], [14]。这些研究表明，智能纳米结构设计对于充分发挥ZnFe₂O₄的电化学性能至关重要。

为克服铁氧体电极在导电性和机械刚性方面的局限，多项研究将其与碳布或石墨烯等柔性导电基底结合，从而改善了电子传输和离子渗透性[15], [16], [17]。此外，聚合物导电层（尤其是聚吲哚PIn）因其固有的氧化还原活性、化学稳定性以及形成致密涂层的能力，增强了金属氧化物与碳基材料之间的协同效应[18]。像ZnFe₂O₄@C、ZnFe₂O₄@rGO和ZnFe₂O₄这样的复合材料在循环过程中表现出显著的性能提升和结构稳定性[19], [20], [21], [22]。然而，使用ZnFe₂O₄@PIn拓扑结构的对称伪电容器器件尚未得到充分研究，尤其是在弯曲和承受机械应力时保持电化学稳定性的问题上。

将ZnFe₂O₄与无需粘合剂的柔性碳布结合，并用聚吲哚包裹，是一种新型的三维导电网络构建方法，可加速离子传输。这种分层结构有助于优化活性位点的利用，稳定法拉第反应过程，防止ZnFe₂O₄纳米颗粒聚集，从而为柔性器件提供所需的机械强度[23], [24], [25], [26]。对称排列不仅便于制造，还能保持电荷平衡，使器件在使用过程中更加稳定，非常适合实际的可穿戴储能应用。

本研究介绍了一种采用Zn-Ferrite@聚吲哚涂层碳布（CC-ZnFe₂O₄@PIn）的对称法拉第超级电容器，该电容器通过简单的原位氧化聚合技术和表面锚定铁氧体沉积法制备（方案S1）。ZnFe₂O₄与聚吲哚PIn的结合基于导电碳布结构，实现了优异的伪电容器性能、更高的充放电速率和出色的循环耐久性。

材料与化学

吲哚（C₈H₇N）、硝酸（HNO₃）和尿素购自TCI Pvt. Ltd.；硝酸锌（Zn(NO₃)₂.6H₂O）和硝酸铁（Fe(NO₃)₂.9H₂O购自LOBA Chemie Pvt. Ltd。，所有化学品均为分析级。

表征方法

样品的结构特征通过JEOL-JSM-IT180场发射扫描电子显微镜（FESEM）进行观察，该显微镜配备了能量色散X射线光谱仪（EDS）用于元素分析。此外，还使用了傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对样品进行了表征。

CC-ZnFe₂O₄和CC-ZnFe₂O₄@PIn纳米复合材料的结构与形态学分析

方案S1展示了CC-ZnFe₂O₄和CC-ZnFe₂O₄@PIn的逐层合成过程。首先，通过水热法直接在碳布基底上生长Zn-Fe前驱体相；加入尿素后，水溶液中的OH^?和CO₃^2?离子与Zn²⁺和Fe²⁺阳离子反应生成Zn_xFe_2x(OH)_6xCO₃前驱体纳米颗粒。这些纳米颗粒牢固地附着在导电碳纤维表面。

CC-ZnFe₂O₄@PVA-H₂SO₄/CC-ZnFe₂O₄@PIn对称电化学研究

采用GCD、CV和EIS方法系统评估了CC-ZnFe₂O₄@PVA-H₂SO₄/CC-ZnFe₂O₄@PIn柔性超级电容器的电化学性能。图8a表明，即使在高达100 mV s^?1

结论

本研究详细介绍了制备CC-ZnFe₂O₄@PIn复合电极的方法，该电极固定在碳布上并用于超级电容器。该过程包括在水热合成的CC-ZnFe₂O₄电极上进行原位吲哚聚合。在ZnFe₂O₄框架中引入介孔聚吲哚（PIn）层后，电极的比电容和电化学稳定性显著提升。有趣的是，经过5000次充放电循环后，电极性能依然稳定。

作者贡献声明

马亨德拉·库马尔（Mahendra Kumar）：负责撰写初稿、方法设计、数据整理和概念构建。 苏尚塔·库马尔·萨马尔（Sushanta Kumar Samal）：负责审稿与编辑、监督工作及方法验证。 阿莱卡·库马尔·苏塔尔（Alekha Kumar Sutar）：负责审稿与编辑、数据验证、形式化分析及结果验证。 图恩加比迪亚·马哈拉纳（Tungabidya Maharana）：负责审稿与编辑、结果可视化、验证、监督工作及方法设计。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益和个人关系可能构成潜在的利益冲突：马亨德拉·库马尔表示获得了印度大学资助委员会（UGC）的财政支持。其他作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

第一作者马亨德拉·库马尔感谢印度大学资助委员会（UGC）提供的初级研究奖学金（资助编号：231610064608）的财政支持。作者同时感谢赖布尔国家技术学院提供的研究资源和出版许可。