Adv. Energy Mater.：具有高性能和可透氣性的聚吡咯涂覆的無塵紙用于柔性全固態超級電容器
【背景介紹】
柔性便攜式電子設備在諸如軍事設備，醫療和生物監測設備等各個領域都具有前所未有的應用。具有柔性，拉伸性，重量輕，耐用等特點的高效儲能單元已經吸引了越來越多人的注意。但由于較低的功率密度，諸如電池的常規儲能裝置受到限制，并且由于較低的能量密度，傳統的電容器也受到限制。
【成果簡介】
近日，來自同濟大學的蔡克峰教授（通訊作者）等人使用無塵紙作為基底通過低溫界面聚合法制備了具有高性能，可透氣，高導電和柔性的聚吡咯（PPy）涂布紙電極。由于具有PPy優異的導電性，高潤濕性和無塵紙多孔結構的協同效應，所制備的電極不僅顯示出優異的比電容和倍率性能（對于PPy涂布紙電極，在1和20mA cm-2處為3100和2579mF cm-2?），還具有優異的柔性，拉伸性和透氣性。基于這些優越特性，用PPy涂布紙電極組裝的全固態超級電容器展現出62.4μWh cm -2的顯著能量密度，良好的透氣性和柔性。相關成果以題為“High-Performance and Breathable Polypyrrole Coated Air-Laid Paper for Flexible All-Solid-State Supercapacitors”發表在了Adv. Energy Mater.上。第一作者為碩士研究生陳元勛 。
【圖文導讀】
圖1 FT-IR光譜及PPy涂層紙折成各種形狀
a）無塵紙和150-PPy樣品的FT-IR光譜
b-f）分別將PPy涂層紙折疊成襯衫，房子，褲子和飛機
g-i）分別將PPy涂層紙卷曲，折疊和扭結
圖2 SEM圖像
a）0-，b）50-，c）100-，d-f）150-PPy，g-i）200-PPy在不同放大倍率下的SEM圖像
圖3 CV曲線及不同電流密度下的比容量
a）5 mV s-1速率下的CV曲線
b）50，100，150和200-PPy在1mA cm -2下的GCD曲線
c）不同紙電極在不同電流密度下的比容量
d）在100kHz至0.01Hz頻率范圍內測量的不同紙電極的阻抗圖
e）在5mA cm -2下150-PPy紙電極的循環性能
圖4 CV曲線分析
a）彎曲后不同循環時150-PPy紙電極的CV曲線和數碼照片
b）150-PPy紙電極在不同彎曲角度下的CV曲線和數碼照片
c）有或無拉伸時150-PPy紙電極的CV曲線
d）在制成150-PPy紙電極之前和之后的CV曲線和照片
e）超聲波處理之前和之后150-PPy紙電極的CV曲線
圖5 透氣性測試
a）吹氣之前和之后150-PPy紙電極的CV曲線和照片
b）0-和150-PPy樣品空氣壓力為100Pa時在不同位置的透氣性
圖6 CV曲線和GCD曲線
150-PPy紙電極對稱含水超級電容器的a）CV曲線，b）GCD曲線
圖7 不同掃描速率的CV曲線和不同電流密度的GCD曲線
對于a，b）50-，c，d）100-，e，f）150-和g，h）200-PPy-SC，分別以不同掃描速率的CV曲線和不同電流密度的GCD曲線
圖8 能量和功率密度
a）在5 mV s-1速率下的CV曲線
b）在1 mA cm -2下50，100，150和200-PPy-SC的GCD曲線
c）不同紙電極的在不同電流密度下的比容圖
d）150-PPy-SC的能量和功率密度
圖9 彎曲和吹氣后的CV曲線
a）150-PPy-SC在不同彎曲角度下的CV曲線
b）吹制和彎曲之后的150-PPy-SC的CV曲線
圖10 150-PPy-SC的透氣性
150-PPy-SC空氣壓力為100Pa時在不同位置的透氣性
圖11 串聯的四個超級電容器的示意圖
a）串聯連接的四個超級電容器的示意圖，以提高工作電壓
b）設備的組裝過程
c）四個150-PPy-SC串聯的封裝裝置
d）四個150-PPy-SC的數碼照片，串聯連接用來點亮紅色LED
【總結】
該研究使用無塵紙作為柔性基底通過化學低溫界面聚合方法制備了高性能和透氣性的PPy涂布紙電極。總的來說，這項工作提供了透氣和可穿戴式儲能裝置的有效實現方法。
文獻鏈接：High-Performance and Breathable Polypyrrole Coated Air-Laid Paper for Flexible All-Solid-State Supercapacitors（Adv. Energy Mater.,2017,DOI: 10.1002/aenm.201701247）
蔡克峰團隊介紹：
本課題組主要從事熱電材料的研究，近十年的研究重點為有機/無機納米復合熱電材料，承擔了多個國家自然科學基金項目的研究，參與了973熱電項目及國家自然基金重點項目（高性能熱電器件設計集成與服役性能研究）的研究。 發表SCI論文100余篇，得到國內外同行的廣泛關注。獲中國發明專利十余項。
最近，又將研究方向拓展至有機-無機納米復合超級電容器電極材料的研究，并取得了良好的開端：發表一篇綜述：Research progress on conducting polymer based supercapacitor electrode materials?（Meng Q, Cai K, Chen Y, et al. Research progress on conducting polymer based supercapacitor electrode materials[J]. Nano Energy, 2017）；論文2篇：1）In Situ Growth of Polypyrrole onto Three-Dimensional Tubular MoS2 as an Advanced Negative Electrode Material for Supercapacitor?（Electrochimica Acta, 2017, 246: 615-624.?2）High-Performance and Breathable Polypyrrole Coated Air-Laid Paper for Flexible All-Solid-State Supercapacitors?（Adv. Energy Mater.,2017,DOI: 10.1002/aenm.201701247）；正在受理的國家發明專利3項。
相關文章推薦：
In Situ Growth of Polypyrrole onto Three-Dimensional Tubular MoS2 as an Advanced Negative Electrode Material for Supercapacitor （Electrochimica Acta, 2017, 246: 615-624.）
Research progress on conducting polymer based supercapacitor electrode materials （Meng Q, Cai K, Chen Y, et al. Research progress on conducting polymer based supercapacitor electrode materials[J]. Nano Energy, 2017）
本文由材料人新能源前線Allen供稿，材料牛整理編輯。
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