NML研究论文 | “高颜值”可穿戴超级电容器：改性聚氨酯人造革电解质提高可穿戴性

纳微快报Nano-Micro Letters

Towards Enhancing Wearability and Fashion of Wearable Supercapacitor with Modified Polyurethane Artificial Leather  Electrolyte

YanHuang^{1, 2}, Zijie Tang³, Zhuoxin Liu³, Jun Wei⁴,Hong Hu⁵, Chunyi Zhi^{3, *}

Nano-Micro Lett. (2018) 10: 38

DOI: 10.1007/s40820-018-0191-7

本文亮点

1   将能量储存和皮革工业相结合，制备了一种可穿戴、易转移、能发荧光的人造革超级电容器，解决了传统超级电容器因存在电解质层的穿戴舒适性难题。

2   用无害的NaCl和离子功能团修饰了人造革主要成分聚氨酯，使其同时具有电解质层的作用。

3   这种具有荧光的人造革超级电容器可以方便地从任何基底转移，形成各种各样的图案，从而满足实际穿戴、时尚性、能量储存等各种需求。

内容简介

可穿戴储能器件是可穿戴电子设备的关键组成部分。尽管一般用于可穿戴设备的超级电容器都设计成可编织线状结构，但由于聚电解质层的存在（厚度远大于100 μm）大大降低了舒适性和可穿戴性。

香港城市大学支春義教授等人受成熟人造革服装工业的启发，发明了一种基于聚氨酯人造革的超级电容器，皮革层内部的片状电极同时充当聚电解质。

这种设计保留了超容器件覆盖下的织物的结构，解决了储能器件穿戴舒适性的难点问题。此外，相比传统的聚乙烯醇基酸电解质，通过使用NaCl对天然荧光聚氨酯皮革进行改性，避免了对人体的伤害。

该研究提出了可穿戴超级电容器的革命性结构设计，荧光皮革超级电容器可以转移到任意基底上形成任意图案，从而满足高舒适性、高颜值、高储能等多功能需求。

图文导读

1    聚氨酯（PU）人造革聚电解质的改性和理化性能

聚氨酯（PU）人造革作为天然皮革的理想替代品，已经在服装行业得到了实质性的应用。水性聚氨酯（wPU）逐渐取代有机溶剂型，成为工业发展的重要方向。

PU链可以很好地分散在水中，当离子基团如羧基被接到PU链上时，形成离子型水性聚氨酯（iwPU）。在wPU单体的预聚合过程中，加入含羧基的扩链剂，经聚合后接到PU链上。其离子电导率由于离子的结合得到提高。

为了显著提高离子浓度并显示各种颜色，加入无毒强电解质NaCl以及少量染料分子（10 μM）来进一步修饰iwPU，即形成改性离子型水性聚氨酯（miwPU），可同时用作无害电解质和有色人造革。

2  超级电容器中改性离子型水性聚氨酯（miwPU）聚电解质的电化学性能循环稳定性测试表明，经过2500次循环后，超级电容器的电容保留率为80％，在所有循环期间库仑效率为100％，这比基于PPy的超级电容器报道的更好。

对超级电容器进行一系列变形测试，如在0°，45°，90°，135°，180°折叠和扭曲。所有CV曲线在整个变形过程中几乎完全重叠，这表明PU凝胶具有良好的机械性能，可穿戴电子设备有良好的器件柔韧性。

此外，通过在miwPU人造皮革超级电容器上喷洒防水喷雾剂，CV曲线在水溅射前后几乎相同，表明该设备具有良好的防水性能。

3   穿戴荧光改性离子型水性聚氨酯（miwPU）人造革超级电容器袖

miwPU人造皮革超级电容器可以显示丰富的图案。任何图案都可以从带图案的基底上轻松转印到皮革上。

所有带图案皮革的荧光效果都表现出略微的差异性，这可能是由于在miwPU中使用不同染料而导致其颜色差异所致。 但是，其电化学性能不受图案或颜色的影响。

作者简介

中科院物理所博士，日本国立材料研究所NIMS博士后研究员、ICYS研究员和高级研究员。

主要研究方向：1. 柔性可穿戴储能器件；2. 高热导率、多功能聚合物复合材料和BN纳米结构。

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Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。

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