浙江大学吕建国课题组Chem Soc Rev：基于导电聚合物的柔性、智能、自持续超级电容及其在便携可穿戴领域的应用

当下，便携可穿戴电子设备在生物医疗、环保、保健、运动和通讯等领域发展迅猛，对其储能装置也提出了更新、更严格的要求，不仅需要其具备高能量密度和高功率密度，也需要其兼具柔性、智能和自持续等新功能。相比于电容和电池，超级电容可兼顾能量密度与功率密度，并且还具有长循环寿命、高安全性、多样化结构、易于设计等优点，已经成为当代便携可穿戴电子产品能源装置的绝佳选择。因此，开发柔性、智能和自持续的超级电容，并且探索其在便携可穿戴领域中的应用，成为当前的热门研究。碳纳米材料、金属化合物、导电聚合物等都可用于制备此类超级电容，其中，导电聚合物兼具高导电性、赝电容、柔性、智能性、氧化还原活性、催化活性等综合性能。

基于此，浙江大学材料学院叶志镇院士团队吕建国课题组对近年来的导电聚合物基柔性、智能、自持续超级电容进行了梳理和展望，赵振云博士为论文第一作者，将该综述“Designing flexible, smart and self-sustainable supercapacitors for portable/wearable electronics: from conductive polymers”发表在国际顶级期刊Chemical Society Reviews上。

一、基于导电聚合物的柔性超级电容

在不影响功率密度和能量密度的前提下，赋予超级电容柔性，使其在机械弯曲、折叠、扭转等状态下依然能保持原有的储能性能。这种柔性带来的结构兼容性，对于实现超级电容与便携可穿戴电子产品的集成，保证便携可穿戴电子产品在实际生活中发挥作用具有重要意义。柔性可借助各种常见柔性基底来实现，比如各种纺织物、静电纺丝膜、海绵、泡沫、凝胶等，也可以借助碳材料和金属化物的自组装材料来实现，例如碳纳米管阵列膜及其纤维、石墨烯膜及其纤维、MXene膜等；要想确保其能量密度和功率密度，则需要将导电聚合物与碳纳米材料、金属化物复合，充分发挥彼此间的协同作用，开发分层级多孔、高导电、高赝电容的复合电极材料；除了电极材料研究，还应充分关注其与电解质之间的搭配，以及超级电容构型的开发，目前已经开发出来的构型主要包括三明治型、平面型、纤维型、纱线型、整体型等（如图 1）。

图 1 柔性超级电容的各种构型，(a) 三明治型 (b) 平面型 (c) 三明治型和平面型 (叉指状) (d) 纤维型 (e) 纱线型 (f) 整体型

二、基于导电聚合物的智能超级电容

导电聚合物在充放电过程中具有可逆颜色变化和体积变化，可以用于制备电致变色超级电容和电驱动超级电容，此外，导电聚合物独特的超分子结构，以及其制备条件温和、制备方法灵活的特点，非常适合用于开发可拉伸、自愈合和传感型超级电容。这些智能功能不仅提高了超级电容的人机交互特性，也大大增强了其耐用性，从而拓宽了其应用领域、延长了其使用寿命。但是，在器件水平上赋予超级电容智能功能仍然面临巨大挑战，在引入智能功能的同时保证其储能性能更是难上加难，相关研究尚处于起步阶段。

图2 基于导电聚合物的，(a) 电致变色超级电容 (b) 电驱动超级电容 (c) 可拉伸超级电容 (d) 自愈合超级电容 (e) 传感型超级电容

三、基于导电聚合物的自持续超级电容

便携可穿戴电子产品在户外运行时，一旦耗尽电量将无法继续运行，因此，开发可即时利用周围环境中的太阳能、机械能和热能来充电，从而实现自持续目标的超级电容，对于延长户外作业时间而言非常重要。因此，研究者们将太阳能电池、摩擦电纳米发电机、压电纳米发电机、热电发电机等与超级电容进行集成。最简单的方法就是将以上发电装置直接与超级电容进行外部连接，然而，外部连接及其配套的封装、粘合部分不仅带来了能量损失问题，也降低了使用便利性。相比之下，开发发电-储能单元全一体化的自持续超级电容不仅能简化器件结构、降低器件尺寸，还能提高能量转化效率，非常符合便携可穿戴设备的使用需求，从而成为近年来的研究热点。但是，这种自持续超级电容的发展历史非常短，研究空间很大。

图 3 （a）光充电型超级电容 (b) 机械能充电型超级电容 (PENG-SC集成型) (c) 机械能充电型超级电容 (TENG-SC集成型) (d) 热能充电型超级电容

展望

（一）低能量密度是制约柔性超级电容走入人们生活的主要瓶颈问题之一。因此，在引入柔性的同时，不以牺牲能量密度为代价，已经成为当前的主要议题。探索新型导电聚合物及其复合物，将其开发成高性能复合电极材料，同时开发高稳定性、宽电势窗口电解质等，都是解决该议题的有效方法。

（二）智能超级电容器近几年刚刚得到发展，很多基本议题仍亟待解决。如何在引入智能性的同时不影响储能性能，其次，如何进一步提升其智能性和用户友好性，比如，一体多功能、一体多响应等等，都是非常有潜力的研究方向。

（三）自持续超级电容器是随着新能源材料的开发而刚刚发展起来的一种新型超级电容器。目前来看，大多数自持续超级电容器是硬质的，并且发电单元与储能单元之间的集成通常会导致阻抗不匹配，难以达到1+1>2的效果，并且器件的整体能量转化效率亟待提高。从功能性材料、器件构型设计、器件工作机理研究等方面入手，是解决这些问题的主要途径。

（四）集柔性、智能、自持续等功能于一体的超级电容在便携可穿戴领域具有广阔应用前景，但是相关报道很少，未来，这将会是一个很有潜力和挑战性的研究方向。为了实现这一目标，开发新材料、设计新构型以及探索新技术是非常有必要的。

（五）开发发电-储电-用电单元集成一体化的便携可穿戴电子设备正成为当前的研究热点。目前，已经有研究将太阳能电池、摩擦电纳米发电机、压电纳米发电机等发电单元，与超级电容等储电单元，以及LED和传感器等用电单元，通过外部导线连接等方式进行集成，但是，以非外部连接方式（即一体化方式）进行集成的相关报道很少，能实现柔性的相关报道就更少来，挑战性和研究空间很大。要实现这个目标，首先需要解决的问题就是，如何提高各个单元之间的兼容性以提高整体器件的工作效率。

（六）规模化生产并且投放于市场、运用于生产生活是我们的终极目标，为了实现这个目标，首先，我们在研究过程中，就需要考虑便携性、可穿戴性和耐久性。其次，封装材料对于超级电容的实际应用而言非常重要，但目前尚未得到足够重视。另外，我们要充分考虑超级电容在携带、穿戴等真实工作环境下的状态，它们通常会同时面临弯曲、扭转、拉伸等多种状态，一些极端工作环境还要求它们具有耐洗涤、防水、防汗、透气、防晒、阻燃等特性。此外，应该尽快建立标准科学的性能评价体系，以便于不同研究之间的性能对比。当然，进行对应的技术开发和工业设计，实现大规模生产、保存、运输和使用也非常重要。

作者介绍：

吕建国，浙江大学材料学院硅材料国家重点实验室副研究员，博导，浙江省杰青、151人才、钱江人才。2000年6月，毕业于西安理工大学材料学院，工学学士学位；2005年6月，毕业于浙江大学材料学院，工学博士学位；2005.11–2007.11，日本京都大学博士后，JSPS外国人特别研究员；2007年12月，浙江大学材料学院硅材料国家重点实验室，副研究员，2011年4月，被认定为浙江大学首批求是青年学者、博士生导师。主要从事新型能源与信息电子材料的研究，包括半导体薄膜与透明电子学、纳米材料与新能源应用、仿生材料及其海洋应用等方向。兼任国际IEEE学会会员，中国材料研究学会、中国电子学会、中国物理学会高级会员；国家自然科学基金通讯评审专家，北京等省市自然科学基金评审专家；Chinese Chemical Letters (Elsevier Group) 、Tungsten (Springer Group) 青年编委，Materials、Processes、AIP Advances客座编委。作为负责人，承担或完成国家和省部级科研项目15项，包括国家重点研发计划子课题1项、国家自然科学基金项目4项、军工项目3项等。作为主要成员，获得国家自然科学二等奖1项（排名第三）、浙江省科学技术一等奖3项、教育部科技进步二等奖1项、全国百篇优秀博士学位论文提名奖。拥有授权国家发明专利70余件、实用新型专利4件。作为第二作者，出版“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材1部（获全国教材建设奖全国优秀教材（高等教育类）奖）、学术专著1部；作为主要作者，参编英文专著1部。在在Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Nano Energy、IEEE TED、Applied Physics Letters等国际期刊发表SCI论文200余篇，其中ESI高被引论文12篇；SCI引用9500余次，其中SCI他引8700余次；H因子42；2020年入选“中国高被引学者”。广泛参加国内外学术会议，多次受邀做主题报告和邀请报告，并多次担任会议的科学委员会委员与分会主席。

参考文献

Zhenyun Zhao, Kequan Xia, Yang Hou, Qinghua Zhang, Zhizhen Ye, Jianguo Lu, Designing flexible, smart and self-sustainable supercapacitors for portable/wearable electronics: from conductive polymers Check for updates, Chem. Soc. Rev., 2021,50, 12702-12743.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/d1cs00800e