Adv. Mater. 清華深研院康飛宇：基于高柔性片狀電極的透氣性可穿戴式能量存儲系統

【引言】

隨著便攜式和可穿戴式電子器件的發展，柔性能量存儲系統近年來成為一個熱點領域。柔性超級電容器由于其快速充放電，高能量密度和長工作壽命而成為一類非常重要的柔性能量存儲器件。對于衣物來說，透氣性是非常必要的一個指標。而實現由柔性纖維制備的超級電容器的可攜帶能量存儲系統的透氣性，理論上雖可行，但實施難度比較大。另一種制備透氣性能量存儲系統的思路是合成二維多孔超級電容器材料。

【成果簡介】

近日，清華大學深圳研究生院的康飛宇教授等人利用高柔性層狀電極構筑了透氣性可攜帶式超級電容器。他們將具有透氣網格的片層作為柔性結構的基底，向其沉積碳納米管（CNTs）和二氧化錳，用以制備片狀電化學活性電極。該電極不僅具有異常高的倍率容量和循環性能，而且具有足夠的柔性用以迎合折疊，扭曲，塑形等可穿戴設備的需要。

【圖文導讀】

圖1 、透氣性超級電容器在織物上應用的流程示意圖

兩步法制備透氣性的小格子服裝的示意圖，例如，a）纖維狀可攜帶超級電容器做成紡織品，b）在柔性二維超級電容器上造成大量貫通的孔洞。

圖2、PCM材料的結構成分分析

a-c）PCM（沉積有CNTs和MnO₂ 的片狀電極）材料掃描電鏡圖片。

d）Mn，O，C元素在PCM材料的分布（所選區域面基大約為500um²）。

e）PCM的Mn 2p的XPS能譜圖。

f）PCM上的CNT/MnO₂ 的透射電鏡照片。

圖3、PCM材料經過不同處理后的電化學性能測試

a）PCM片狀材料被做成條狀，線狀，環狀。

PCM材料在 b）扭結，c）彎曲，d）包在滴管上，e）揉成球狀，f）折成紙鶴狀。

g）PCM在不同情況下，諸如劇烈攪拌（30s）,超聲5min以及在水中折疊和浸入乙醇中都是穩定的。

h）PCM片狀材料沿著不同方向和浸入水中1h后的拉力曲線。

i）CNTs和CNT/MnO₂ 修飾過的透氣片狀材料電導性。

圖4、PCM材料器件化之后的電化學性能測試

PCM紙狀電極組裝成的對稱超級電容器的電化學性能曲線：

a,b）不同掃描速率的CV曲線。

c）電流密度分別為10mA cm^-2 和20mA cm^-2 下的GCD曲線。

d） 標號為P4C, PCM,和 PCMD的對稱電容器ragone曲線；e）1 V s^?1 條件下的循環曲線（插圖為第一圈，第三千圈，第一萬圈和第兩萬圈循環的CV曲線）。

f）1 V s^?1 條件下的CV曲線和g）電流密度分別為10 mA cm^-2 和20 mA cm^-2 的PCMD樣品對稱超級電容器的GCD曲線。

經受不同形變后的PCM紙狀電極在 1 V s^?1 下的CV曲線:

h）彎曲0次，50次，100次。 ? ? ? ?i）揉成一個球體或者折疊成紙鶴。

j）剪裁成線狀電極。 ? ? ? ? ? ? ? ? ?k）拉伸20%后自動恢復到某種程度。

l）制備成含有大通孔（下方）和小通孔（上方）的圓形PCM電極。

圖5、PCM固態超級電容器電化學性能測試

a）不同彎曲角度的PCM固態超級電容器的容量保存，照片以及對應的CV曲線。

b）原始狀態和制備出透氣性通孔的固態PCM超級電容器的CV曲線。

c）不同次數折疊后的固態PCM超級電容器的容量保存，照片和對應的CV曲線。

d）透氣性超級電容器的GCD曲線。

e)氣流通過不同樣品的壓力降（直線代表這些數據的最佳線性擬合）。

小結

本研究基于高柔性紙狀電極表面的孔洞化自組裝制備了透氣性的可攜帶式能量存儲系統。這種紙狀電極不僅具有優良的電化學性能，而且能夠保持足夠的韌性和鋼性來承受包括彎曲，破口，褶皺，折疊在內的各種形變。

文獻鏈接： Breathable and Wearable Energy Storage Based on Highly?Flexible Paper Electrodes?（Adv. Mater.，2016，DOI: DOI: 10.1002/adma.201602541 ）

本文由材料人編輯部新能源學術組東海木子李供稿，點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”， 歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。