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Advanced Materials:可量体裁衣的柔性超级电容器

可穿戴和可拉伸电子器件的飞速发展推动了对可拉伸储能设备如可拉伸超级电容器的需求。尽管近年来可拉伸超级电容器的制作取得了一些进展,但目前的可拉伸电容器主要通过预先设定结构化电极(波浪形、桥接电极、线状电极)来实现。而预先设计的策略不仅制作过程繁琐,且一旦成型,结构和外形就不可改变。这样的策略使得这些超级电容器无法在器件水平上进行编辑和程序化设计,即无法即时地根据可穿戴的需求进行实际设计,不利于可拉伸超级电容器与人体以及其他可拉伸电子器件的匹配。此外,传统的可拉伸超级电容器在长期拉伸过程中,由于各类微型电极与对称电极或凝胶电解液间的错位还会导致超级电容器整体性能的快速退化。

有鉴于此,新加坡南洋理工大学陈晓东课题组开发了一种形状和拉伸性能可控的新型可编辑电容器。通过直接赋予柔性超级电容器可编辑性,超级电容器可根据设计需求即时获得所需的形状和拉伸性能。该可编辑超级电容器实现的关键在于使用机械强化的MnO2纳米线复合电极。电极制作具体过程为通过旋转水热合成的超长MnO2纳米线(MNWs),其与碳纳米管(CNTs)超声混合并抽滤成自支撑柔性电极,再在复合电极两侧抽滤沉积纳米纤维素(NCFs)薄膜形成三明治电极夹层结构。研究表明长MnO2纳米线交织结构能够稳定电极弯曲、剪切、拉伸时的电化学性能,同时纳米纤维素层能够有效地避免剪切过程中造成的电极短路。

Advanced Materials:可量体裁衣的柔性超级电容器

该可编辑电容器在形状构建上有很大的自由度,用户可根据自己的需要设计所需的形状和拉伸结构。蜂窝状结构编辑的超级电容器可在拉伸至500%条件下实现电容器性能基本不变(面积电容为227.2 mF/cm2,通过垂直堆叠面积电容可提升至1000 mF/cm2以上)。同时,在10000次400%的循环拉伸下,超级电容器仍然能保持98%的面积比电容。此外,除了蜂窝状结构之外,其他2D和3D结构也可以轻松实现,如窗花结构,以及交替切割形成的金字塔结构。其中,金字塔结构可与3D弹性物体保形接触,若将四个金字塔状的超级电容器连接在一起,还可进一步编辑具有可逆拉伸的弹簧状超级电容器。

作为系统集成稳定性的示例,该可拉伸超级电容还与拉力传感器集成进行测试。在运动拉伸状态下,该电容器仍然能保持与非运动状态下大体一致的信号输出,表明可编辑超级电容器稳定的机械和电化学性能。该可拉伸的、极易程序化的、并且可在串并联条件下编辑成任意形状的超级电容器将能做成各类时尚的储能器件用于驱动各类便携、可拉伸和可穿戴电子器件。

相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201704531)上,并于当期Front Cover做简要介绍。



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