Adv. Sci. 生物靈感的自適應應力分散的納米復合材料應用于超折疊電極

Adv. Sci. 生物靈感的自適應應力分散的納米復合材料應用于超折疊電極

【引言】

可折疊的柔性電子產品從概念到市場，受到的關注度越來越高。由于柔性電子產品在無意中發生極端變形時存在可靠性和安全性問題，傳統的可彎曲模式已不能滿足柔性電子實際應用中的高要求。此外，對于柔性產品日益增長的功能需求，如可穿戴性、可植入性和可移植性，也促進了人們對能夠承受多次真實折疊測試的超折疊電子材料的渴望。眾所周知，柔性電子材料是柔性器件的關鍵部件，一般是由嵌在柔性導電基底上的功能物質組成。目前，研究者在柔性導電基底和復合材料的結構設計方面都做了大量的工作。然而，在開發具有超折疊性能的柔性電子器件仍然極具挑戰性。這是因為在真實折疊條件下，折痕處產生的局部應力比彎曲或偽折疊條件下產生的局部應力要高出幾個數量級。如果沒有特殊的結構設計，過大的應力必然會對化學鍵造成破壞，最終導致導電底座在反復折疊過程中斷裂。這是由于近程力的性質和化學鍵不能承受大變形。此外，還必須考慮在保持電子材料超折疊性的同時實現高功能性能。

為了提高電子材料的柔性，研究者們設計了不同的層次結構。其中孔隙工程是一種廣泛采用的提高柔性的策略。例如，在碳網納米纖維中引入大孔，合成的竹狀納米纖維和金蟾蜍卵狀納米纖維在有限時間內具有很高的靈活性和甚至可折疊性。此外，大量微孔和中孔的存在也被證明可以使材料維持多次折疊。還有層流間相互作用的調整策略也被發現在提高靈活性方面有效。一些研究表明，層間相互作用的增加可以產生相當大的抗拉強度，并使材料具有良好的機械柔性。作者認為盡管研究者開發了這么多的柔性策略，但是目前研究者對柔性結構中結構和折疊之間關系的理解仍然是有限的。直至目前，也尚未提出并實現分層結構的集成設計以實現超折疊性。

【研究進展】

近日，同濟大學吳慶生教授，Tong Wu和加州大學的Jun Chen（共同通訊作者）在Adv. Sci.上發表了一篇題目為“Bioinspired Nanocomposites with Self-Adaptive Stress Dispersion for Super-Foldable Electrodes”的研究論文。研究者模擬了具有超柔韌性的蠶繭和具有可逆無散射折疊的含羞草葉的微觀結構，制備了超可折疊的C-web/FeOOH納米錐（SFCFe）導電納米復合材料，其在纖維結構上顯示錐形陣列，類似于含羞草葉，以及非交聯結，可滑動的納米纖維，可分離的層和可壓縮的網狀結構，如蠶絲。值得注意的是，SFCFe可以經歷超過10萬次重復真實折疊而不會造成結構損壞或電導率降低。通過實時掃描電子顯微鏡折疊表征和有限元模擬進一步研究了這種超可折疊性能的潛在機制。結果表明其自適應應力分散機制起源于多級仿生結構。值得注意的是，SFCFe展示了其作為水系電池超可折疊陽極電極的前景，該陽極電極不僅具有高容量和令人滿意的循環穩定性，而且在整個10萬次真正折疊過程中完全符合循環伏安法和恒電流充放電曲線。這項工作報告了一種考慮自適應應力色散機制的機械設計，它可以實現用于軟物質電子的無散射超可折疊電極。

【圖文簡介】

圖1. 超可折疊SFCFe及其設計原理

a）常規導電材料中化學鍵的短程力極限示意圖，不能承受重復的真實折疊；

b-e）SFCFe的仿生結構設計，可實現多種真實折；

f-m）力學模擬顯示了不同層次結構與應力之間的關系：（f，g）不同三維折疊結構折痕處的應力分布，（h，i）不同連接類型彎曲二維層中的應力分布，（j-m）不同復合結構彎曲納米纖維的最大應力值和應力分布。

圖2. SFCFe的表征

a-b）P AN膠片，C-web和SFCFE；

c-f）SEM圖像的光學照片；

g-h）TEM圖像（插圖：SAEDimage）；

i） HRTEM圖像；

j） XRD圖譜；

k） 拉曼光譜；

l） EDS映射圖像。Fe 2p（m），o 1s（n）和C 1s（o）的m-o）XPS高分辨率光譜。

圖3 SFCFe的超可折疊特性

a）在折疊機上重復進行真實折疊測試的示意圖；

b）完整的正確折疊過程的示意圖；

c-g）100 000次折疊后SFCFe的SEM圖像；

h）10萬次折疊期間的電導率變化曲線；

i–m）折疊過程的實時SEM觀察過程中的典型狀態；

n）180°真實折疊處折痕的結構一樣；

o–r）放大和分析超折疊結構。

圖4 SFCFe作為超可折疊陽極材料的電化學性能

a-c）SFCFe的CV，GCD，Cs曲線；

d）峰值電流與掃描速率之間的關系；

e）電荷存儲的電容和擴散控制貢獻；

f）不同掃描速率下電容和擴散控制容量的歸一化貢獻率；

g–i）不同彎曲角度下的CV，GCD和容量保持曲線；

j-l）CV，GCD和容量保持曲線在100000次重復折疊期間；

m）SFCFe的循環性能。

【小結】

作者將自適應應力分散機制引入結構設計，報道了一種制造超可折疊導電電極的通用方法，該電極可承受10萬次真實折疊而不會造成結構損壞和電導率降低。通過實驗和仿真驗證了制備方法和材料結構的仿生策略對于實現超可折疊性能是有效的。通過對折疊過程及其力學模擬的實時SEM觀察，可以直觀地揭示仿生結構與超可折疊性能之間的關系。更重要的是，構造超可折疊復合電極的一組通用原理如下。（1）該電極更好地具有納米纖維可滑動的分層網絡結構，并且這些層是微可分離的。（2）納米纖維上的電活性物質應具有特殊的結構以應對一定的彎曲。（3）在真正的折疊狀態下，折痕應該能夠形成超折疊形態的凸起層，分散弧和可滑動微跡的結構，用于3D應力分散。總之，高性能電極，出色的折疊特性和顯示機制確定了制造超級可折疊設備甚至組裝電子設備的關鍵材料和技術。

文獻鏈接：Bioinspired Nanocomposites with Self-Adaptive Stress Dispersion for Super-Foldable Electrodes, 2021, Sci. Adv. DOI: 10.1002/advs.202103714.

本文由金也供稿。