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基于磺酸化类石墨烯聚合物的新型全固态柔性隔膜材料

随着人们生活水平的不断改善,对储能器件的需求越来越大。超级电容器因其高功率密度和能量密度以及可观的循环寿命,在电子消费品领域拥有巨大的应用前景。超级电容器的主要构成包括电极、电解液和隔膜。为达到柔性的目的,在电极方面可以使用碳纤维、碳布等柔性材料,而在隔膜方面目前常用的是聚乙烯醇 (PVA) 等链状聚合物构成的薄膜材料。然而,此类隔膜材料所面临的问题是离子电导率不够高。针对这一问题,零维的SiO2或TiO2等纳米颗粒、一维的碳纳米管、二维的氧化石墨烯 (GO) 等纳米材料都已被尝试用于调制链状聚合物的网络结构,从而改善离子传输的通道,达到提高离子电导率的目的。在这些纳米材料中,GO通过增加离子运输孔道,减短传输距离,在改善离子电导率方面展现出显著的效果。然而,受到负载量的限制,GO的引入对链状聚合物的网络只能起到微调作用,隔膜的性能依然主要取决于链状聚合物的类型。因此,设计出一种新颖结构的隔膜材料是非常有必要的。

基于磺酸化类石墨烯聚合物的新型全固态柔性隔膜材料

近期,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所功能纳米碳材料团队 (李清文研究员、张骁骅研究员) 报道了一种新型的柔性隔膜材料,制备出具有极好倍率性能和优异循环稳定性的柔性超级电容器。该工作使用了通过“自下而上”方式合成得到的磺酸化类石墨烯聚合物 (SGP)。SGP的高比表面积及丰富的磺酸基团使其具有超强的亲水性和热稳定性。比如,SPG在水中的分散可达到26 wt%以上,远高于GO的分散上限 (仅约2 wt%)。在少量PVA分子的粘结作用下,SGP片层可以自组装成多孔的三维结构。这种基于SGP组装的隔膜材料具有优异的力学性能和丰富的孔隙结构,足以满足柔性器件的需求,在吸收KOH电解液之后隔膜的离子电导率可提高到0.166 S cm-1,比浸润KOH的PVA隔膜高出2.67倍 (0.0452 S cm-1),展现出优异的隔膜性能。利用这种隔膜材料制备的超级电容器可显著提高器件的倍率性能并有效降低了等效串联电阻。

在电极材料受到广泛关注的今天,我们在全固态超级电容器隔膜材料上的突破为进一步发展柔性储能器件提供了新的思路。相关工作已在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201600841) 期刊上,第一作者为上海理工大学与苏州纳米所联合培养研究生刘旭博


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