復旦大學彭慧勝團隊Adv. Funct. Mater. :具有仿生漸變結構的壓縮傳感超級電容器

Alisa 4年前 (2019-06-20) 3127瀏覽

【引言】

便攜和可穿戴電子器件將會成為我們未來生活中的重要部分，在實際應用的過程中，這些柔性電子器件會受到不同程度的壓力。然而，在高的壓縮應變下，傳統的電子器件可能會發生破裂并且無法正常工作，而且甚至會導致嚴重的安全問題，如有毒組分的泄露。為了解決以上挑戰，亟需研發出能夠承受不同程度壓縮應力和應變，并能夠維持正常工作的柔性可壓縮電子器件。此外，對于目前發展出的便攜和可穿戴電子器件，其儲能和傳感功能通常是通過制備并集成這兩種器件的方式來實現的。因此，在不增加器件尺寸和降低柔性的情況下，在同一個可壓縮器件上實現儲能和傳感功能仍然是一個亟需解決的挑戰。

【成果簡介】

近日，復旦大學高分子系彭慧勝教授（通訊作者）的研究團隊通過模仿巨型魷魚嘴的漸變交聯結構，設計并制備出了一種具有漸變交聯結構的可壓縮碳納米管（CNT）陣列材料。在從上到下的垂直方向上，該CNT陣列材料具有從取向排列到高度交聯的漸變結構。該CNT陣列能夠承受不同程度的壓縮應變，具有高達10萬次的可逆壓縮性能和優異的電學導電性。通過使用該CNT陣列作為電極材料，作者進一步制備出了同時具有優異儲能和傳感功能的壓縮傳感超級電容器。在各種不同的壓縮條件下，該器件的儲能和傳感性能都能夠得到很好的保持。該柔性壓縮傳感超級電容器在未來的電子皮膚、智能集成系統中具有良好的應用前景。研究成果以“Gradually crosslinking carbon nanotube array in mimicking the beak of giant squid for compression-sensing supercapacitor”為題，在線發表于國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1：具有仿生漸變交聯結構的可壓縮CNT陣列的結構示意圖

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(a) 巨型魷魚嘴的漸變交聯結構示意圖；

(b)?具有仿生漸變交聯結構的可壓縮CNT陣列材料的示意圖。

圖2：可壓縮CNT陣列材料的結構和力學性能表征

(a) 可壓縮CNT陣列的側面掃描電鏡圖像；

(b-d)?可壓縮CNT陣列上、中、下部分的高倍掃描電鏡圖像；

(e)?可壓縮CNT陣列中CNT的透射電鏡圖像；

(f)?可壓縮CNT陣列在不同壓縮應變下的應力-應變曲線；

(g)?可壓縮CNT陣列在不同壓縮應變下的電阻變化曲線；

(h)?可壓縮CNT陣列在40%壓縮應變下的3,000次循環應力-應變曲線；

(i)?可壓縮CNT陣列在20%壓縮應變下的100,000次循環應力-應變曲線。

圖3：壓縮傳感超級電容器的儲能電化學性能表征

(a) 器件在不同壓縮應變下的恒流充放電曲線（1 mA×cm-2）；

(b)?器件在不同壓縮應變下的循環伏安曲線（20 mV×s-1）；

(c)?器件在不同壓縮應變下的面積比容量（1 mA×cm-2）；

(d)?器件在60%壓縮應變下的倍率性能；

(e)?器件在不同壓縮應變下的應力-應變曲線；

(f)?器件在60%壓縮應變下循環壓縮3,000次的容量保持率。

圖4：壓縮傳感超級電容器的應變傳感原理示意圖

圖5：壓縮傳感超級電容器的應變傳感性能

(a-f) 器件分別在10%, 20%, 30%, 40%, 50%和60%壓縮應變下的電容響應曲線；

(g)?器件在不同壓縮應變下的電容響應曲線；

(h)?器件在連續變化的壓縮應變下的電容響應曲線；

(i)?器件在不同壓縮應變保持下的電容響應曲線。

圖6：壓縮傳感超級電容器的應變傳感性能

(a-d) 40%應變下，器件分別在0.01, 0.02, 0.05 and 0.1 Hz壓縮頻率下的電容響應曲線；

(e)?器件在1900次壓縮循環下的電容響應曲線（30%壓縮應變）。

圖7：壓縮傳感超級電容器的集成和應用展示

(a) 集成了5個壓縮傳感超級電容器的柔性電路的示意圖；

(b)?集成了5個壓縮傳感超級電容器的柔性電路的照片；

(c)?柔性集成電路被彎曲成表帶狀的照片；

(d)?當對表帶施加一個較小壓力時，綠色LED被點亮；

(e)?當對表帶施加一個中等壓力時，藍色LED被點亮；

(f)?當對表帶施加一個較大壓力時，紅色LED被點亮；

(g)?按壓過程中壓縮傳感超級電容器測出的電容響應曲線。

【總結】

綜上所述，作者報道了一種具有仿生漸變結構的可壓縮CNT陣列材料，該材料具有優異的可逆壓縮性能（10萬次）和電學導電性。使用該CNT陣列作為電極材料，作者進一步發展出了一種能夠同時實現優異儲能和傳感性能的壓縮傳感超級電容器。通過將該壓縮傳感超級電容器集成到柔性電路中，能夠同時實現各種各樣的儲能和傳感功能。通過使用這些柔性、多功能的壓縮傳感超級電容器，可穿戴和可集成電子系統的制備、集成、調試和功能轉化等過程的實現將被大大簡化。該研究工作為研發新一代柔性可穿戴電子器件提供了新的思路。

文獻鏈接：Zhao, Y. et al. Gradually crosslinking carbon nanotube array in mimicking the beak of giant squid for compression-sensing supercapacitor (Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201902971)

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