进展 | 皮肤型超级电容器的研究

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（A05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、张强在解思深院士、周维亚研究员的指导下，与南开大学化学学院牛志强教授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Advanced Functional Materials（2016, 26, 8178-8184）杂志上，并被选为封面文章。

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）。

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。

他们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）。

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。

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）。

 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。

有望应用于柔性可穿戴电子学和皮肤电子学等领域（图4）。

      图4 皮肤型超级电容器实物演示与杂志封面图片

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。
文章链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201603480/full

编辑：HWQ

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