南开大学牛志强团队Nano Energy：可拉伸微型超级电容器

smilezengsha 7年前 (2017-11-09) 9335浏览

【引言】

近年，许多研究人员致力于设计具有交流线路滤波功能的平面微型超级电容器。例如，通过简单的叠层方法制备了基于柑橘蓝桥联配位聚合体框架(PiCBA)的平面微型超级电容器，该微型超级电容器表现出优异的交流线路过滤性能。目前，各种便携式电子设备正朝柔性、可拉伸、可穿戴、小型化方向发展，已有研究制备了塑料基底的交流线路过滤柔性微型超级电容器。然而，由于需耐受更大的张力，微型电容器弹性的实现相比柔性更具有挑战性；另一方面，电极材料和器件结构的高要求也导致了交流线路过滤可拉伸微型超级电容器的制备是一项挑战。

【成果简介】

近日，南开大学的牛志强团队在Nano Energy上发表最新研究成果 “Highly Stretchable Integrated System for Micro-supercapacitor with AC Line Filtering and UV Detector”。在该文中，研究者基于SWCNT膜设计了褶皱微型电极并组装制备了可高度拉伸的微型超级电容器。该类微型超级电容器独特的结构赋予其高频快速响应性能，因而此微型超级电容器可用作交流线路滤波器件，在拉伸至200%时仍旧能够保持稳定的交流线路滤波性能。除此之外，基于SWCNT膜与TiO2纳米颗粒制备了可高度拉伸的微型超级电容器，TiO2纳米颗粒在褶皱SWCNT微电极上的负载使得微型超级电容器具有紫外光电探测的能力，其灵敏度高达6.2。此高度可拉伸的超级电容器在不同拉伸时间甚至重复拉伸100次仍可保持稳定的光电探测性能和比电容性能。此类集交流线路滤波与光电探测性能于一身的高度可拉伸微型超级电容器的制备与设计推动了超级电容器与其他电子器件的集成和组装的发展。

【图文导读】

图1 可拉伸集成系统

（a）可拉伸集成系统制备示意图；

（b）可拉伸微型超级电容器200%应变下的实物图；

（c）可拉伸微型超级电容器无应变下的实物图；

（d）无应变下， PDMS基底上褶皱SWCNT膜微电极SEM图；

（e）不同应变下，褶皱SWCNT膜微电极、平整SWCNT膜微电极、PDMS基底上TiO2纳米颗粒负载的SWCNT褶皱复合膜微电极的归一化电阻。

图2 可拉伸微型超级电容器电化学性能

（a）不同扫速下，可拉伸超级电容器的CV曲线；

（b）无应变与200%应变情况下，微型超级电容器放电电流密度与扫速的关系图；

（c）无应变、100%应变、200%应变下，可拉伸微型超级电容器10 V s-1下的CV曲线；

（d）可拉伸微型超级电容器不同应变下的比电容；

（e）可拉伸微型超级电容器不同应变下的Nyquist阻抗曲线；

（f）可拉伸微型超级电容器不同应变下相角相对于频率关系图。

图3 微型超级电容器集成系统性能

（a）单个微型超级电容器与四个微型超级电容器集成器件在10 V s-1下的CV曲线（插图为器件结构示意图）；

（b）单个微型超级电容器与四个微型超级电容器集成器件在1.5 μA cm-2 下的恒电流充放电曲线；

（c）不同应变下，微型超级电容器集成器件的比电容；

（d）相角相对于频率关系图。

图4 紫外探测可拉伸微型超级电容器集成系统性能

（a）可拉伸集成系统实物图片；

（b）不同应变下，集成系统作为光电探测器的光电流响应曲线；

（c）不同应变下，集成系统的灵敏度与比电容；

（d）光电探测原理图；

（e）循环拉伸100次前后，集成系统光电响应图；

（f）不同拉伸次数时，集成系统的灵敏度和比电容。

【小结】
研究者基于SWCNT膜与TiO2纳米颗粒，以PDMS为柔性基底设计了微型超级电容器。SWCNT可拉伸微型超级电容器具有高频快速响应的交流线路滤波功能，负载TiO2纳米颗粒后表现出灵敏的紫外探测性能；微型超级电容器经过串联或并联集成还可提高输出电压或电流。此外，当拉伸200%时及被多次循环拉伸之后，可拉伸微型超级电容器仍可保持优异的交流滤波性能或灵敏高效的紫外探测性能。

文献链接：Highly Stretchable Integrated System for Micro-supercapacitor with AC Line Filtering and UV Detector  (Nano Energy, 2017, DOI：10.1016/j.nanoen.2017. 10.056)

本文由材料人新能源前线 曾沙 供稿。

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