皮膚型超級電容器研究取得進展

皮膚型超級電容器研究取得進展

來源：中科院之聲

近年來，隨著柔性可穿戴電子學的蓬勃發展，皮膚型電子器件的研究和製備已成為該領域的焦點之一。為了構築一體化的電子系統，人們迫切需要一型的柔性、超薄、輕量化的皮膚型能量存儲裝置。超級電容器作為一種新型的儲能器件，引起了研究者們的廣泛關注，然而傳統的薄膜型超級電容器厚度一般在20 μm 以上，無法滿足柔性和皮膚電子學器件的實際要求。此外，該類超級電容器多採用金屬集流極和襯底，由於集流極多為脆性材料，價格高昂，且器件必須依附襯底，無法實現大角度彎折，因此現有器件難以應用於柔性便攜電子學，特別是皮膚電子學領域。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室「納米材料與介觀物理」研究小組，多年來一直致力於碳納米結構的製備、物性與應用基礎研究，近年來在碳納米材料基柔性儲能器件領域取得了系列成果（Energ. Environ. Sci.2012, 5, 8726;Adv. Mater.2013, 25, 1058;Nano Res.2014, 7, 1680; Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500677;Nanoscale2015, 7, 12492 ）。最近，該課題組研究生欒平山、張楠、張強在中科院院士解思深、研究員周維亞的指導下，與南開大學化學學院教授牛志強等人合作研製出一種柔性、超薄、自支撐、高性能的皮膚型超級電容器。其題為Epidermal supercapacitor with high performance的研究工作發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials，2016, 26, 8178-8184）雜誌上，並被選為封面文章。

他們利用直接生長的碳納米管薄膜與 PEDOT 進行複合，並對其負載量和電化學性能進行優化。得益於大量「 Y 型結」構成的連續網路結構，該複合薄膜具有高達~1600 S cm-1的電導率和~300 MPa 的力學強度，有助於皮膚型器件的構築（圖1）。提出一種基於襯底表面能差異的分步分離技術，實現了器件和襯底的無損分離，構築出厚度約為1 μm 的超薄器件（圖2）。經測試，這種皮膚型超級電容器的比電容為56 F g-1（相對於兩電極質量），能量密度為6.0 W h kg-1，功率密度為332 kW kg-1，響應時間為5.4 ms，此外器件還可耐受105次的彎折。相對於其它薄膜器件，該皮膚型超級電容器在比電容量、功率密度、響應時間上均體現出顯著優勢（圖3）。有望應用於柔性可穿戴電子學和皮膚電子學等領域（圖4）。

相關研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院的支持。

圖1 不同電鍍圈數時，複合薄膜比電容量及 PEDOT 含量 (a)、電導率 (b) 和應力-應變曲線 (c)。純碳納米管薄膜 (d) 和複合薄膜 (e)SEM 圖像，純碳納米管薄膜 (f) 和複合薄膜 (g)TEM 圖像。

圖2 (a) 皮膚型超級電容器的組裝過程示意圖。SWCNT/PEDOT 複合薄膜 (b) 和皮膚型超級電容器 (c)-(d) 的光學照片。(e)-(f) 皮膚型超級電容器截面的SEM圖像。

圖3 皮膚型超級電容器的循環伏安曲線 (a) 和恆流充放電曲線 (c)。(b) 皮膚型超級電容器 （SC-E）與其它薄膜器件在 20 Vs-1 掃描速率下的循環伏安曲線。 (d)-(f) 皮膚型超級電容器與其它薄膜器件的性能對比。

圖4 皮膚型超級電容器實物演示與雜誌封面圖片

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本期責編：李林鵬