ACS Nano：高伸縮的蜂窩結構微型超級電容器陣列用于綜合穿戴式電子系統

【引言】

電子產品越來越朝著微型化、便攜化趨勢發展，對電子設備的伸縮性和柔性提出了更高的要求。超級電容器有很好的商業化應用前景，具有功率密度高，使用壽命長，安全性高的優點。但也存在拉伸變形能力較弱的缺點，限制了其應用，需要進一步尋找具有高拉伸變形能力的電容器電子設備。而蜂窩結構微型超級電容器（MSC）綜合穿帶式電子系統是一種非常理想的電子設備。

【成果簡介】

近日，清華大學王曉紅、加州大學機械工程系Kyriakos Komvopoulos教授（共同通訊作者）等采用新的方法制備蜂窩結構的微型超級電容器綜合穿戴式電子系統。他們采用噴霧沉積SWCNT薄膜制備MSC電極，然后將Si基板上標準微制造的單壁碳納米管電極的MSC陣列轉移到一個蜂窩結構的PDMS基底組裝伸縮性MSC陣列的方法進行制備。該方法操作簡單，可控性強，伸縮性能好，具有優越的放電性能。

【圖文導讀】

圖1 裝置未變形和變形，結構層及蜂窩結構的電極微結構的4×4的MSC陣列展示。

（a）裝置拉伸和彎曲示意圖。

（b）裝置的各種結構層的分解圖。

（c-e）分別為裝置未變形，被壓縮，以及扭轉拉伸的數碼照片示意圖。

（f）交叉SWCNT電極的光學顯微圖像。

（g）SWCNT電極的俯視圖的SEM圖像（插圖為單壁碳納米管的TEM圖像）。

（h）Si基板上裝置的剖面SEM圖像（不同的顏色分別為不同的層）。

圖2 蜂窩結構的單MSC的電化學性能和4×4的MSC的陣列展示。

（a、b）分別單個MSC的典型的CV曲線和一個4×4的MSC陣列。

（c）體積電容與CV掃描速率圖。

（d、e）分別5 nA施加電流的單一MSC和4×4 MSC陣列。

（f）體積能量密度EV與功率密度PV。

（g）虛阻抗Z''與真正的阻抗Z'。

（h）歸一化虛電容C“與頻率的關系圖。

（i）電容保持與充電/放電循環次數圖。

圖3? 蜂窩結構的4×4MSC陣列的機械性能

設備配置在不同變形階段（左列）的光學圖像和最大應變ε_max（中間和右邊列）相應的FEA結果。右列顯示ε_max在電容器和互連區的分布。

圖4? 蜂窩結構的4×4的MSC的陣列的電氣和機械性能

（a）電容保持與伸長率之間關系圖（插圖顯示50％壓縮率和0-150％伸長率CV曲線）。

（b）蜂窩結構MSC，固體PDMS膜，和一個耐克手腕帶的實驗應力 - 應變曲線（插圖顯示蜂窩結構MSC的有限元應力 - 應變曲線）。（c-e）通過蜂窩結構MSC設備結合不同伸長率的耐克手腕帶啟動商用LED（開啟電壓=2 V，工作電流≈20 mA）。

（f、i、g、j）分別為蜂窩結構的MSC彎曲180°、60°的數碼照片及在金層對應的最大應力ε_max分布圖。

（h、k）分別對應不同彎曲和扭轉角度的重疊CV曲線。

【展望】

高伸縮的蜂窩結構超級電容器微陣列具有很好的伸縮變形能力，器件具有良好的放電性能，穩定性高。MSC陣列的可穿戴電子產品，如手腕，頭帶系統和可穿戴式計算系統的應用范圍具有廣闊的前景。

文獻鏈接：Highly Stretchable Microsupercapacitor Arrays with Honeycomb Structures for Integrated Wearable Electronic Systems（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03880）

本文由材料人編輯部新能源學術組 xiaohuanzi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。