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  近日,合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院從懷萍教授課題組和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授課題組合作，在通過(guò)一體化器件構(gòu)型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)超級(jí)可伸縮、實(shí)時(shí)自修復(fù)超級(jí)電容器的構(gòu)筑研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“A Highly Stretchable and Real-Time Healable Supercapacitor”為題于2019年3月28日在線發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《先進(jìn)材料》上（Adv. Mater. 2019, DOI: 10.1002/adma.201900573），論文的共同第一作者是碩士研究生陳傳瑞和青年教師秦海利博士。

  隨著可穿戴電子器件和柔性仿生器件的快速發(fā)展，可伸縮超級(jí)電容器作為新型儲(chǔ)能器件受到廣泛關(guān)注。該類(lèi)能源器件具有高機(jī)械柔性，能夠在彎曲和拉伸等復(fù)雜機(jī)械形變時(shí)依然保持結(jié)構(gòu)完整性和高導(dǎo)電性，從而保持較高的電化學(xué)容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。研究進(jìn)展表明，由于缺少有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和完整的器件構(gòu)型，在機(jī)械形變過(guò)程中，電容器電極層與電解質(zhì)層間易產(chǎn)生錯(cuò)位，嚴(yán)重降低了器件容量和穩(wěn)定性。較低的電容器性能和有限的機(jī)械形變成為制約柔性超級(jí)電容器實(shí)際應(yīng)用的兩個(gè)重要因素。另外，自修復(fù)性能對(duì)于電容器在發(fā)生機(jī)械損傷時(shí)自動(dòng)修復(fù)其結(jié)構(gòu)而保持原有導(dǎo)電性和電化學(xué)性能尤為重要。然而，智能型柔性超級(jí)電容器的構(gòu)筑研究鮮有報(bào)道。

圖1.可自修復(fù)的伸縮超級(jí)電容器的構(gòu)筑示意圖。

  面對(duì)這些挑戰(zhàn)，科研人員在單體引發(fā)聚合過(guò)程中引入動(dòng)態(tài)金屬配位鍵研制了具有優(yōu)異伸縮性能和光學(xué)、電學(xué)多重刺激響應(yīng)修復(fù)性能的納米復(fù)合水凝膠電極和電解質(zhì)。進(jìn)一步地在凝膠電極上化學(xué)焊接銀納米線薄膜作為集流體，利用各層間豐富的金屬-硫配位作用化學(xué)鍵合構(gòu)筑了具有整體構(gòu)型的超級(jí)電容器。基于電極和電解質(zhì)優(yōu)異的本征彈性和自修復(fù)性能以及一體化器件構(gòu)型設(shè)計(jì)，所構(gòu)筑電容器的面電容值達(dá)到885 mF/cm2，拉伸應(yīng)變可達(dá)原長(zhǎng)的8倍，展現(xiàn)了快速的光自修復(fù)能力。這是在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了電容器在充放電過(guò)程中的實(shí)時(shí)自修復(fù)。正是基于電容器各組分層的微結(jié)構(gòu)和界面作用力優(yōu)化以及整體化器件構(gòu)型設(shè)計(jì)，所構(gòu)筑器件表現(xiàn)了卓越的柔性和可修復(fù)超級(jí)電容器性能。

圖2. 超級(jí)電容器展現(xiàn)了優(yōu)異的拉伸彈性。

圖3.超級(jí)電容器展現(xiàn)了優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)響應(yīng)實(shí)時(shí)修復(fù)性能。

  該研究工作為今后研制智能柔性能源存儲(chǔ)器件提供了新的設(shè)計(jì)理念和器件構(gòu)筑方法，有望推動(dòng)未來(lái)柔性、可穿戴電子器件的發(fā)展。

  上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)際合作項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥大科學(xué)中心卓越用戶基金等項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201900573