Adv. Funct. Mater. 具有形狀記憶功能的超輕可穿戴超級電容器

滿都煙柳 7年前 (2016-08-07) 5431瀏覽

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超級電容器具有快速充放電、高功率密度、長的使用壽命以及寬的溫度適用范圍等優點，是介于電池和傳統電容器之間的一種重要儲能器件。隨著近些年便攜式和可穿戴電子設備的發展，柔性耐形變儲能器件的研究成為了熱點領域。可穿戴耐形變超級電容器的制備有賴于獲得合適的柔性電極。如何提高電極材料的電化學性能，并且使其具備優異的力學性能是柔性超級電容器研發中需要解決的重要問題。

近日，加拿大麥克馬斯特大學（McMaster University）研發出一種新型可穿戴超級電容器。電極集流體由化學交聯的纖維素、碳納米管氣凝膠構成，具有低密度、彈性好、可形變等優點。研究表明，這種新型電容器能夠大電流循環充放電超過 5000 次，并且在壓縮、彎曲、扭轉等形變下可保持原有的電化學性能，有望成為下一代可穿戴便攜式的儲能介質。

作者發現分散劑對纖維素/碳納米管氣凝膠的力學性能、電化學性能有顯著影響。降低分散劑濃度可以增加氣凝膠的孔隙率，降低楊氏模量，提高對儲能納米顆粒的負載。通過原位生長聚吡咯，氣凝膠單位面積比電容隨聚吡咯質量增加呈線性增長。纖維素/碳納米管氣凝膠柔性電極單位面積比電容最高可達到2.1 F cm-2。由纖維素/碳納米管氣凝膠構筑的對稱型柔性電容器在0.9 v的工作電壓下，能量密度為1.1 mWh g-1。

此外，該研究證明了利用化學交聯方法制備的氣凝膠可以用于大規模生產超級容器。直徑為1-30 cm的電極集流體可通過冷凍干燥得到。此項工作為開發輕量化可穿戴超級電容器開辟了新的途徑，并且提供了以天然物質制備高性能儲能材料的新思路。

圖1 a)用于制備纖維素/碳納米管氣凝膠的分散劑SDS和TCH，b）分散劑SDS和TCH對碳納米管吸附作用示意圖，c）冷凍干燥法制備纖維素/碳納米管氣凝膠示意圖，d）所得到的氣凝膠可以通過靜電力吸附到塑料托盤上，體現了低密度。

圖2 a) 證明了化學交聯法可以制備出大體積的纖維素/碳納米管氣凝膠，（b-d）掃描電鏡下纖維素/碳納米管氣凝膠的b）橫截面與 c，d）不同放大倍數下表面的形貌圖。

圖3 a）纖維素/碳納米管氣凝膠聚吡咯負載質量與聚合時間的曲線，（b-f）掃描電鏡下不同聚吡咯負載質量的氣凝膠表面形貌圖。

圖4 a）纖維素/碳納米管氣凝膠單位面積比電容與聚吡咯負載質量的曲線，b）電極總體比電容與聚吡咯負載質量的曲線。

圖5 a）在壓應力的作用下，纖維素/碳納米管氣凝膠負載不同質量的聚吡咯應力-應變曲線，b）隨著應變量增加（0-80%），纖維素/碳納米管氣凝膠厚度減小，c）500次壓力循環后負載不同質量聚吡咯的纖維素/碳納米管氣凝膠形狀恢復率。d）不同應變下，纖維素/碳納米管氣凝膠的循環伏安曲線。結果表明，聚吡咯提高了纖維素/碳納米管氣凝膠強度和形狀記憶性能。纖維素/碳納米管氣凝膠電化學性能不隨壓力形變而變化。

圖6 a）對稱型纖維素/碳納米管氣凝膠超級電容器構筑示意圖，b）對稱型超級電容器在不同掃描速率下的循環伏安曲線，c）對稱型超級電容器比電容與掃描速率的變化曲線，d）對稱型超級電容器在不同充放電電流下的充放電變化曲線，e）對稱型超級電容器比電容與充放電電流的變化曲線，f）對稱型超級電容器承受彎曲，扭轉，壓縮形變作用時的循環伏安曲線，g）對稱型超級電容器在15 mA cm?2 的電流下5000 次充放電的循環性能，h）對稱型氣凝膠超級電容器負載不同質量的聚吡咯能量-功率曲線。