香港理工Adv. Mater.：超高面積電容超級電容器型防水織物

【引言】

可穿戴儲能器件是未來可穿戴電子器件中不可或缺的重要部分，其包括能源收集、照明和顯示設備、傳感器、通信、智能織物和醫療器件等。值得注意的是，一般人體用于集成化可穿戴器件的可用面積為2m²，因此在這領域中關鍵的挑戰是如何同時獲得超高面積電容和器件的可穿戴特性。

與贗電容型超級電容器相比，使用碳納米管(CNTs)和石墨烯作為活性材料的電化學雙層電容器(EDLCs)有良好的導電性可用于快速充電且循環壽命長，是超級電容器(SCs)領域中的希望之星。同時，輕量級的SCs基織物和納米碳電極由于其優越的可穿戴性能(即受機械形變下的電化學穩定性)，引起了人們的熱切關注。與傳統的薄膜型柔性SCs相比，織物結構的使用可以明顯釋放經常發生在穿戴過程中由彎曲、纏繞、拉伸形變引起的機械壓力，這賦予其與普通布料類似的卓越器件柔性。然而，已被報道的織物基SCs的面積電容特性實在太低。總所周知，迄今報道的全固態EDLCs織物的最大面積電容只有440mFcm^-2(4.8mAcm^-2)，其質量載量高達12mgcm^-2。其中一個重要原因是構建密集織物電極的同時，維持整個電極厚度范圍內的納米性質將十分困難。

【成果簡介】

近日，來自香港理工大學紡織與服裝學院的鄭子劍教授(通訊作者)在國際頂尖期刊Advanced Materials上發表了題為” Waterproof, Ultrahigh Areal-Capacitance, Wearable Supercapacitor Fabrics”的文章。該文章介紹了一種新型的合成復合物織物電極的方法，在金屬織物上直接一步合成了密集多孔、柔性堅韌的EDLC電極，模擬構建一維多壁碳納米管(MWCNTs)人工基底，以及在金屬織物上選擇性抽濾二維還原氧化石墨烯(RGOs)從而形成三維可擴張無孔復合物電極。

【圖文導讀】

圖一：復合物織物電極的構建及其表征。

a):在Ni包覆的棉花織物上選擇性抽濾復合物電極織物；

b):Ni-棉花織物上的SEM圖；

c):制備得到的柔性復合物織物電極；

d):抽濾次數與負載質量的函數關系；

e):10層復合物織物電極的不同部分SEM圖。

圖二：電極性能特性。

a):電極浸入5M LiCl中；

b):10層復合物電極的CV圖；

c): 10層復合物電極的GCD圖；

d):不同層數復合物的電流密度與面積電容關系圖；

e/f):三種材料的負載量與面積/質量電容關系。

圖三：用復合物織物電極構筑的全固態織物型SCs。

a):全固態織物型SCs的構建、封裝和集成；

b)/c):不同參數的CV/GCD圖；

d):不同層數的SCs織物面積電容；

e):其他報道的SCs織物與該工作的電流密度-面積電容關系對比。

圖四：全固態織物型SCs的穩定性測試。

a):20mAcm^-2電流密度下GCD測試以及電容存量；

b):彎曲狀態下循環特性；

c):浸入水中的循環特性；

d):SCs織物器件植入實驗服中驅動LED燈。

【小結】

報道了一種織物型的全固態SCs，擁有超高的面積電容、在空氣和水中都具有超長的循環壽命、優越的柔性。通過在Ni包覆的棉花作集流體，直接選擇性抽濾MWCNT和RGO，合成了該高性能復合織物電極。

1)形成了密集多孔三維MWCNT/RGO混合電極，提供了大量的連接通道和可及表面積用于離子擴散和吸收。無論電極厚度多少，其質量比電容都維持在250Fg^-1。在20mAcm^-1電流密度下，其面積電容達到6.7Fcm^-2，遠超報道記錄的EDLCs的2.7cm^-2。2)在金屬織物上直接選擇性抽濾，不僅在MWCNT/RGO復合物而且在碳納米材料和Ni-棉花表面上，都產生了強烈的表面粘附性。這增強了電極的電導性和柔性，因此該全固態SCs器件可以達到0.2-1A的放電電流，同時在10000次充放電循環后比電容提高到3.2Fcm^-2，超過10000次彎曲測試后也沒有明顯的性能衰減。3)由于器件的構建是直接在織物基底上進行的，因此十分簡易就能將電極整合，并封裝成防水功能器件。浸入水中10小時進行持續1000次充放電測試，仍有90%以上的電容存量。

文獻鏈接：Waterproof, Ultrahigh Areal-Capacitance, Wearable Supercapacitor Fabrics (Adv.Mater.,2017,DOI: 10.1002/adma.201606679)

本文由材料人新能源組Jespen供稿，材料牛整理編輯。

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