Nat. Commun.：凝膠電解質自下而上填充新方法獲得高性能全固態柔性超級電容器

【引言】

柔性固體超級電容器（FSSCs）通常通過將凝膠電解質夾在一對多孔電極之間組成，同時需要凝膠電解質與多孔電極的內部孔隙充分接觸，以形成充放電的界面。現在常用的柔性電極都比較薄，這樣電解質可以與電極材料充分接觸，但是其厚度僅為幾十納米到微米，遠小于商用超級電容器的電極厚度（100 μm – 150 μm），導致電容器具有低的面積電容，難以滿足實用需求。雖然制作大厚度的多孔電極并不困難，但是使凝膠電解質充分接觸大厚度多孔電極的內部孔隙卻是一項技術挑戰。本文提出了一種新的固態凝膠電解質填充方法，使固態凝膠電解質的有效填充深度達到了500 μm以上，使超級電容器的單位面積電容值為以往學術界報道的最大值的5倍以上。

【成果簡介】

近日，中國西安交通大學的邵金友和美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Paul V. Braun（共同通訊）等人報道了一種固體凝膠電解質填充方法，解決了固態凝膠電解質與大厚度多孔電解的界面接觸問題。如果固態電解質不完全填充多孔電極的內部孔隙，將會降低固態超級電容器的電學性能和機械柔性，但固體凝膠電解質對大厚度多孔電極的填充一直是個難題，導致大厚度高能量密度的固體超級電容器的制造極具挑戰性，為此，研究人員報道了一種“自下而上”的填充方法克服了這些挑戰。利用該方法可將PVA/H3PO4固態凝膠電解質填滿厚度達500μm 的MWNCT電極以及MWCNT-PEDOT/PSS復合電極。這種電極表現出了優異的機械性能：卷曲至0.5mm使仍未見裂紋產生，5000次循環彎曲后保持95%的電容值，其中基于500μm厚的WMCNT-PEDOT/PSS的固態超級電容器，其面電容值達到2662 mF cm^-2@2 mV s^-1，為目前最先進的固體超級電容器容值約5倍。相關成果以“High energy flexible supercapacitors formed via bottom-up infilling of gel electrolytes into thick porous electrodes”為題發表在Nature Communications上，論文第一作者為西安交通大學李祥明副教授。

【圖文導讀】

圖 1 自上而下和自下而上填充示意圖及其結構表征

（a）自上而下的填充方法（從左到右：溶膠澆鑄在多孔電極上；多孔電極上方的溶膠凝膠形成膜；溶膠在多孔電極凝膠中，留下空隙；在從基底分離，獲得獨立的未完全填充的電極）；

（b）自下而上的填充方法；（從左到右：溶膠澆鑄在位于透氣基材上的多孔電極上，并覆蓋不滲透的薄膜；從底部向上形成凝膠，直到整個多孔電極充滿凝膠；除去基材后獲得獨立的凝膠填充電極）

（c）自上而下（左）和自下而上（右）方法填充凝膠電解質的MWCNT電極頂部的SEM圖像。

圖 2 自上而下和自下而上填充的FSSC的電化學性能對比

（a）CV和（b）GCD的曲線對比圖；

（c）在不同電流密度下，自上而下和自下而上填充的FSSC的面積電容圖；

（d）在0.5和5 mA cm^-2時，自上而下和自下而上填充FSSC器件的面積電容的厚度依賴性關系圖。

圖 3 凝膠填充方法與機械穩定性的探究圖

（a，b）在0.5 mm半徑的玻璃管上卷起后，兩種方法制備的凝膠填充的約150 μm厚MWCNT電極的微裂紋實物圖；

（c，d）兩種彎曲FSSC器件的電化學性能圖；

（e）反復彎曲后，彎曲次數與電容保持率的關系圖。

圖 4 500 μm厚PEDOT/PSS-WMCNT電極的FSSC性能

（a）CV曲線和（b）GCD曲線；

（c）自上而下和自下而上設計的阻抗圖；

（d）在不同電位窗口下，自下而上填充的500 μm厚PEDOT/PSS- MWCNT電極的FSSC的CV曲線；

（e）在不同電位窗口下，自下而上填充的500 μm厚PEDOT/PSS- MWCNT電極的FSSC的GCD曲線；

（f）面積Ragone圖。

【小結】

本文闡述了一種自下而上填充方法，可將固體凝膠電解質填入大厚度的多孔電極，使電解質離子對內部電極表面的可獲得性最大化、離子擴散路徑最小化，從而改善了大厚度FSSC的電化學性能。在機械性能方面，由于所填充的固態凝膠電解質與多孔電極材料形成了機械互鎖，所以提高了器件的機械穩定性，可在不減小電容的情況下卷起和反復彎曲。因為凝膠電解質形成過程中的體積收縮幾乎是普遍存在的，因此我們相信，這種自下而上的填充策略可廣泛用于不同多孔電極的填充，因此只要能夠制得大厚度的多孔電極，如果使用更為先進的多孔贗電容電極，其電容值甚至可能高于目前的最佳值（2662 mF/cm²）

文獻鏈接：High energy flexible supercapacitors formed via bottom-up infilling of gel electrolytes into thick porous electrodes（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04937-8）

【團隊介紹】

西安交通大學邵金友教授微納制造研究團隊，依托于西安交通大學機械制造系統國家重點實驗室，長期致力于微納制造工藝、裝備與器件方面的研究工作，課題組在國家自然科學基金“納米制造的基礎研究”重大研究計劃集成項目、重點研發專項項目等重大項目的支持下，在電驅動納米壓印技術、柔性電子制造技術、智能傳感與微納仿生制造技術等方面形成了鮮明的研究特色。

團隊在該領域中的工作匯總：該團隊以納米制造技術的研究為基礎，探索納米制造技術在柔性超級電容、柔性傳感電子器件、高性能LED芯片制造、壓電/摩擦能量收集、柔性透明導電薄膜等領域的應用。

【相關優質文獻推薦】

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