近年來,隨著柔性可穿戴電子學的蓬勃發展,皮膚型電子器件的研究和制備已成為該領域的焦點之一。為了構筑一體化的電子系統,人們迫切需要一型的柔性、超薄、輕量化的皮膚型能量存儲裝置。超級電容器作為一種新型的儲能器件,引起了研究者們的廣泛關注,然而傳統的薄膜型超級電容器厚度一般在20 μm以上,無法滿足柔性和皮膚電子學器件的實際要求。此外,該類超級電容器多采用金屬集流極和襯底,由于集流極多為脆性材料,價格高昂,且器件必須依附襯底,無法實現大角度彎折,因此現有器件難以應用于柔性便攜電子學,特別是皮膚電子學領域。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)先進材料與結構分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究小組,多年來一直致力于碳納米結構的制備、物性與應用基礎研究,近年來在碳納米材料基柔性儲能器件領域取得了系列成果(Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 8726; Adv. Mater. 2013, 25, 1058; Nano Res.2014, 7, 1680; Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500677; Nanoscale 2015, 7, 12492)。最近,該課題組研究生欒平山、張楠、張強在中科院院士解思深、研究員周維亞的指導下,與南開大學化學學院教授牛志強等人合作研制出一種柔性、超薄、自支撐、高性能的皮膚型超級電容器。其題為Epidermal supercapacitor with high performance 的研究工作發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials,2016, 26, 8178-8184)雜志上,并被選為封面文章。
他們利用直接生長的碳納米管薄膜與PEDOT進行復合,并對其負載量和電化學性能進行優化。得益于大量“Y型結”構成的連續網絡結構,該復合薄膜具有高達~1600 S cm-1的電導率和~300 MPa的力學強度,有助于皮膚型器件的構筑(圖1)。提出一種基于襯底表面能差異的分步分離技術,實現了器件和襯底的無損分離,構筑出厚度約為1 μm的超薄器件(圖2)。經測試,這種皮膚型超級電容器的比電容為56 F g-1(相對于兩電極質量),能量密度為6.0 W h kg-1,功率密度為332 kW kg-1,響應時間為5.4 ms,此外器件還可耐受105次的彎折。相對于其它薄膜器件,該皮膚型超級電容器在比電容量、功率密度、響應時間上均體現出顯著優勢(圖3)。有望應用于柔性可穿戴電子學和皮膚電子學等領域(圖4)。
相關研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中科院的支持。
圖1 不同電鍍圈數時,復合薄膜比電容量及PEDOT含量(a)、電導率(b)和應力-應變曲線(c)。純碳納米管薄膜(d)和復合薄膜(e)SEM圖像,純碳納米管薄膜(f)和復合薄膜(g)TEM圖像。
圖2 (a)皮膚型超級電容器的組裝過程示意圖。SWCNT/PEDOT復合薄膜(b)和皮膚型超級電容器(c)-(d)的光學照片。(e)-(f) 皮膚型超級電容器截面的SEM圖像。
圖3 皮膚型超級電容器的循環伏安曲線(a)和恒流充放電曲線(c)。(b)皮膚型超級電容器(SC-E)與其它薄膜器件在20 Vs-1掃描速率下的循環伏安曲線。(d)-(f)皮膚型超級電容器與其它薄膜器件的性能對比。
圖4 皮膚型超級電容器實物演示與雜志封面圖片
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