皮肤型超级电容器研究取得进展
近年来,随着柔性可穿戴电子学的蓬勃发展,皮肤型电子器件的研究和制备已成为该领域的焦点之一。为了构筑一体化的电子系统,人们迫切需要一型的柔性、超薄、轻量化的皮肤型能量存储装置。超级电容器作为一种新型的储能器件,引起了研究者们的广泛关注,然而传统的薄膜型超级电容器厚度一般在20 μm以上,无法满足柔性和皮肤电子学器件的实际要求。此外,该类超级电容器多采用金属集流极和衬底,由于集流极多为脆性材料,价格高昂,且器件必须依附衬底,无法实现大角度弯折,因此现有器件难以应用于柔性便携电子学,特别是皮肤电子学领域。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组,多年来一直致力于碳纳米结构的制备、物性与应用基础研究,近年来在碳纳米材料基柔性储能器件领域取得了系列成果(Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 8726; Adv. Mater. 2013, 25, 1058; Nano Res.2014, 7, 1680; Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500677; Nanoscale 2015, 7, 12492)。最近,该课题组研究生栾平山、张楠、张强在中科院院士解思深、研究员周维亚的指导下,与南开大学化学学院教授牛志强等人合作研制出一种柔性、超薄、自支撑、高性能的皮肤型超级电容器。其题为Epidermal supercapacitor with high performance 的研究工作发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials,2016, 26, 8178-8184)杂志上,并被选为封面文章。
图1 不同电镀圈数时,复合薄膜比电容量及PEDOT含量(a)、电导率(b)和应力-应变曲线(c)。纯碳纳米管薄膜(d)和复合薄膜(e)SEM图像,纯碳纳米管薄膜(f)和复合薄膜(g)TEM图像。
图2 (a)皮肤型超级电容器的组装过程示意图。SWCNT/PEDOT复合薄膜(b)和皮肤型超级电容器(c)-(d)的光学照片。(e)-(f) 皮肤型超级电容器截面的SEM图像。
图3 皮肤型超级电容器的循环伏安曲线(a)和恒流充放电曲线(c)。(b)皮肤型超级电容器(SC-E)与其它薄膜器件在20 Vs-1扫描速率下的循环伏安曲线。(d)-(f)皮肤型超级电容器与其它薄膜器件的性能对比。
图4 皮肤型超级电容器实物演示与杂志封面图片
他们利用直接生长的碳纳米管薄膜与PEDOT进行复合,并对其负载量和电化学性能进行优化。得益于大量“Y型结”构成的连续网络结构,该复合薄膜具有高达~1600 S cm-1的电导率和~300 MPa的力学强度,有助于皮肤型器件的构筑(图1)。提出一种基于衬底表面能差异的分步分离技术,实现了器件和衬底的无损分离,构筑出厚度约为1 μm的超薄器件(图2)。经测试,这种皮肤型超级电容器的比电容为56 F g-1(相对于两电极质量),能量密度为6.0 W h kg-1,功率密度为332 kW kg-1,响应时间为5.4 ms,此外器件还可耐受105次的弯折。相对于其它薄膜器件,该皮肤型超级电容器在比电容量、功率密度、响应时间上均体现出显著优势(图3)。有望应用于柔性可穿戴电子学和皮肤电子学等领域(图4)。
相关研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持。
论文链接:
来源:中科院
免责声明:部分资料来源于网络,转载的目的在于传递更多信息及分享,并不意味着赞同其观点或证实其真实性,也不构成其他建议。仅提供交流平台,不为其版权负责。如涉及侵权,请联系我们及时修改或删除。邮箱:info@polymer.cn
相关进展
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群,请先加审核微信号chemshow (或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。