密歇根州立大學曹長勇團隊與杜克大學Jeff Glass團隊合作Matter:基于直立碳納米管陣列的可拉伸超級電容器

近年來，柔性可拉伸電子領域發展迅猛，可拉伸顯示器、人造電子皮膚、可穿戴傳感器和可植入設備等新型電子器件不斷出現。要實現一體化的可拉伸電子系統，這些新型可拉伸電子器件需要與之相匹配的可拉伸電池和超級電容器等作為供能裝置。超級電容器具有高功率密度、高循環效率和高能量密度，可進行多達上百萬次充放電循環，在可穿戴和可植入供能設備領域中具有巨大的應用潛力。

近日，美國密歇根州立大學曹長勇教授團隊和杜克大學Jeff Glass教授團隊合作，在基于直立碳納米管陣列的可拉伸超級電容器領域取得新進展。該研究中，科研人員成功利用褶皺的Au-CNT直立陣列（Au-CNT-forest）制作了耐用的高性能可拉伸電極，并以此為基礎制備了對稱雙電極超級電容，在上千次拉伸實驗中表現出非常好的機械性能和優異的電化學性能。實驗測試表明，可拉伸Au-CNT-forest電極的電阻比單純的CNT-forest電極的電阻低了近一個數量級，達到了比較厚的CNT網絡薄膜電極的電阻水平。在不同應變條件下（面積應變為0％至800％），和較大的充電/放電速率（80 mA/cm²）下，雙向可拉伸Au-CNT-forest電極表現出近乎不變的電化學性能，這是先前制備的純碳納米管電極無法實現的（Advanced Energy Materials, 2019）。實驗結果顯示,在很大的應變載荷下，褶皺Au-CNT-forest超級電容器具有卓越的機械穩定性和電化學穩定性,在40 mA/cm²的電流密度下其比電容可達6 mF/cm²。本項研究提供了一種簡易的利用直立納米管或其他材料納米線陣列制備可拉伸超級電容器或可拉伸電池的新方法。

【圖文導讀】

圖1：基于褶皺Au-CNT-forest的可拉伸電極的制備和表征。

圖2：單向可拉伸Au-CNT-Forest 電極的電化學性能。

圖3：雙向可拉伸Au-CNT-Forest 電極的電化學性能。

圖4：單向可拉伸CNT-forest電極與Au-CNT-Forest 電極的在不同應變下的電化學阻抗譜的變化和對比。

圖5：可拉伸Au-CNT-Forest 電極的機械穩定性和電化學穩定性測試結果。

圖6：不同測試條件下Au-CNT forest 超級電容器的電化學性能比較。

以上成果在Cell出版社的旗艦期刊Matter上在線發表。論文第一作者為周逸豪博士，論文共同通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授和杜克大學Jeff Glass教授。

論文鏈接:

Robust and High-Performance Electrodes via Crumpled Au-CNT Forests for Stretchable Supercapacitors, Yihao Zhou, Changyong Cao*, Yunteng Cao, Qiwei Han, Charles B. Parker, Jeffrey T. Glass*. Matter, 2, 1–17，2020. DOI: 10.1016/j.matt.2020.02.024

課題組網站：www.caogroup.org