南開大學牛志強團隊Nano Energy：可拉伸微型超級電容器

smilezengsha 6年前 (2017-11-09) 8078瀏覽

【引言】

近年，許多研究人員致力于設計具有交流線路濾波功能的平面微型超級電容器。例如，通過簡單的疊層方法制備了基于柑橘藍橋聯配位聚合體框架(PiCBA)的平面微型超級電容器，該微型超級電容器表現出優異的交流線路過濾性能。目前，各種便攜式電子設備正朝柔性、可拉伸、可穿戴、小型化方向發展，已有研究制備了塑料基底的交流線路過濾柔性微型超級電容器。然而，由于需耐受更大的張力，微型電容器彈性的實現相比柔性更具有挑戰性；另一方面，電極材料和器件結構的高要求也導致了交流線路過濾可拉伸微型超級電容器的制備是一項挑戰。

【成果簡介】

近日，南開大學的牛志強團隊在Nano Energy上發表最新研究成果 “Highly Stretchable Integrated System for Micro-supercapacitor with AC Line Filtering and UV Detector”。在該文中，研究者基于SWCNT膜設計了褶皺微型電極并組裝制備了可高度拉伸的微型超級電容器。該類微型超級電容器獨特的結構賦予其高頻快速響應性能，因而此微型超級電容器可用作交流線路濾波器件，在拉伸至200%時仍舊能夠保持穩定的交流線路濾波性能。除此之外，基于SWCNT膜與TiO2納米顆粒制備了可高度拉伸的微型超級電容器，TiO2納米顆粒在褶皺SWCNT微電極上的負載使得微型超級電容器具有紫外光電探測的能力，其靈敏度高達6.2。此高度可拉伸的超級電容器在不同拉伸時間甚至重復拉伸100次仍可保持穩定的光電探測性能和比電容性能。此類集交流線路濾波與光電探測性能于一身的高度可拉伸微型超級電容器的制備與設計推動了超級電容器與其他電子器件的集成和組裝的發展。

【圖文導讀】

圖1 可拉伸集成系統

（a）可拉伸集成系統制備示意圖；

（b）可拉伸微型超級電容器200%應變下的實物圖；

（c）可拉伸微型超級電容器無應變下的實物圖；

（d）無應變下， PDMS基底上褶皺SWCNT膜微電極SEM圖；

（e）不同應變下，褶皺SWCNT膜微電極、平整SWCNT膜微電極、PDMS基底上TiO2納米顆粒負載的SWCNT褶皺復合膜微電極的歸一化電阻。

圖2 可拉伸微型超級電容器電化學性能

（a）不同掃速下，可拉伸超級電容器的CV曲線；

（b）無應變與200%應變情況下，微型超級電容器放電電流密度與掃速的關系圖；

（c）無應變、100%應變、200%應變下，可拉伸微型超級電容器10 V s-1下的CV曲線；

（d）可拉伸微型超級電容器不同應變下的比電容；

（e）可拉伸微型超級電容器不同應變下的Nyquist阻抗曲線；

（f）可拉伸微型超級電容器不同應變下相角相對于頻率關系圖。

圖3 微型超級電容器集成系統性能

（a）單個微型超級電容器與四個微型超級電容器集成器件在10 V s-1下的CV曲線（插圖為器件結構示意圖）；

（b）單個微型超級電容器與四個微型超級電容器集成器件在1.5 μA cm-2 下的恒電流充放電曲線；

（c）不同應變下，微型超級電容器集成器件的比電容；

（d）相角相對于頻率關系圖。

圖4 紫外探測可拉伸微型超級電容器集成系統性能

（a）可拉伸集成系統實物圖片；

（b）不同應變下，集成系統作為光電探測器的光電流響應曲線；

（c）不同應變下，集成系統的靈敏度與比電容；

（d）光電探測原理圖；

（e）循環拉伸100次前后，集成系統光電響應圖；

（f）不同拉伸次數時，集成系統的靈敏度和比電容。

【小結】
研究者基于SWCNT膜與TiO2納米顆粒，以PDMS為柔性基底設計了微型超級電容器。SWCNT可拉伸微型超級電容器具有高頻快速響應的交流線路濾波功能，負載TiO2納米顆粒后表現出靈敏的紫外探測性能；微型超級電容器經過串聯或并聯集成還可提高輸出電壓或電流。此外，當拉伸200%時及被多次循環拉伸之后，可拉伸微型超級電容器仍可保持優異的交流濾波性能或靈敏高效的紫外探測性能。

文獻鏈接：Highly Stretchable Integrated System for Micro-supercapacitor with AC Line Filtering and UV Detector? (Nano Energy, 2017, DOI：10.1016/j.nanoen.2017. 10.056)

本文由材料人新能源前線 曾沙 供稿。

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