Nat. Commun.：凝胶电解质自下而上填充新方法获得高性能全固态柔性超级电容器

【引言】

柔性固体超级电容器（FSSCs）通常通过将凝胶电解质夹在一对多孔电极之间组成，同时需要凝胶电解质与多孔电极的内部孔隙充分接触，以形成充放电的界面。现在常用的柔性电极都比较薄，这样电解质可以与电极材料充分接触，但是其厚度仅为几十纳米到微米，远小于商用超级电容器的电极厚度（100 μm – 150 μm），导致电容器具有低的面积电容，难以满足实用需求。虽然制作大厚度的多孔电极并不困难，但是使凝胶电解质充分接触大厚度多孔电极的内部孔隙却是一项技术挑战。本文提出了一种新的固态凝胶电解质填充方法，使固态凝胶电解质的有效填充深度达到了500 μm以上，使超级电容器的单位面积电容值为以往学术界报道的最大值的5倍以上。

【成果简介】

近日，中国西安交通大学的邵金友和美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Paul V. Braun（共同通讯）等人报道了一种固体凝胶电解质填充方法，解决了固态凝胶电解质与大厚度多孔电解的界面接触问题。如果固态电解质不完全填充多孔电极的内部孔隙，将会降低固态超级电容器的电学性能和机械柔性，但固体凝胶电解质对大厚度多孔电极的填充一直是个难题，导致大厚度高能量密度的固体超级电容器的制造极具挑战性，为此，研究人员报道了一种“自下而上”的填充方法克服了这些挑战。利用该方法可将PVA/H3PO4固态凝胶电解质填满厚度达500μm 的MWNCT电极以及MWCNT-PEDOT/PSS复合电极。这种电极表现出了优异的机械性能：卷曲至0.5mm使仍未见裂纹产生，5000次循环弯曲后保持95%的电容值，其中基于500μm厚的WMCNT-PEDOT/PSS的固态超级电容器，其面电容值达到2662 mF cm^-2@2 mV s^-1，为目前最先进的固体超级电容器容值约5倍。相关成果以“High energy flexible supercapacitors formed via bottom-up infilling of gel electrolytes into thick porous electrodes”为题发表在Nature Communications上，论文第一作者为西安交通大学李祥明副教授。

【图文导读】

图 1 自上而下和自下而上填充示意图及其结构表征

（a）自上而下的填充方法（从左到右：溶胶浇铸在多孔电极上；多孔电极上方的溶胶凝胶形成膜；溶胶在多孔电极凝胶中，留下空隙；在从基底分离，获得独立的未完全填充的电极）；

（b）自下而上的填充方法；（从左到右：溶胶浇铸在位于透气基材上的多孔电极上，并覆盖不渗透的薄膜；从底部向上形成凝胶，直到整个多孔电极充满凝胶；除去基材后获得独立的凝胶填充电极）

（c）自上而下（左）和自下而上（右）方法填充凝胶电解质的MWCNT电极顶部的SEM图像。

图 2 自上而下和自下而上填充的FSSC的电化学性能对比

（a）CV和（b）GCD的曲线对比图；

（c）在不同电流密度下，自上而下和自下而上填充的FSSC的面积电容图；

（d）在0.5和5 mA cm^-2时，自上而下和自下而上填充FSSC器件的面积电容的厚度依赖性关系图。

图 3 凝胶填充方法与机械稳定性的探究图

（a，b）在0.5 mm半径的玻璃管上卷起后，两种方法制备的凝胶填充的约150 μm厚MWCNT电极的微裂纹实物图；

（c，d）两种弯曲FSSC器件的电化学性能图；

（e）反复弯曲后，弯曲次数与电容保持率的关系图。

图 4 500 μm厚PEDOT/PSS-WMCNT电极的FSSC性能

（a）CV曲线和（b）GCD曲线；

（c）自上而下和自下而上设计的阻抗图；

（d）在不同电位窗口下，自下而上填充的500 μm厚PEDOT/PSS- MWCNT电极的FSSC的CV曲线；

（e）在不同电位窗口下，自下而上填充的500 μm厚PEDOT/PSS- MWCNT电极的FSSC的GCD曲线；

（f）面积Ragone图。

【小结】

本文阐述了一种自下而上填充方法，可将固体凝胶电解质填入大厚度的多孔电极，使电解质离子对内部电极表面的可获得性最大化、离子扩散路径最小化，从而改善了大厚度FSSC的电化学性能。在机械性能方面，由于所填充的固态凝胶电解质与多孔电极材料形成了机械互锁，所以提高了器件的机械稳定性，可在不减小电容的情况下卷起和反复弯曲。因为凝胶电解质形成过程中的体积收缩几乎是普遍存在的，因此我们相信，这种自下而上的填充策略可广泛用于不同多孔电极的填充，因此只要能够制得大厚度的多孔电极，如果使用更为先进的多孔赝电容电极，其电容值甚至可能高于目前的最佳值（2662 mF/cm²）

文献链接：High energy flexible supercapacitors formed via bottom-up infilling of gel electrolytes into thick porous electrodes（Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04937-8）

【团队介绍】

西安交通大学邵金友教授微纳制造研究团队，依托于西安交通大学机械制造系统国家重点实验室，长期致力于微纳制造工艺、装备与器件方面的研究工作，课题组在国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划集成项目、重点研发专项项目等重大项目的支持下，在电驱动纳米压印技术、柔性电子制造技术、智能传感与微纳仿生制造技术等方面形成了鲜明的研究特色。

团队在该领域中的工作汇总：该团队以纳米制造技术的研究为基础，探索纳米制造技术在柔性超级电容、柔性传感电子器件、高性能LED芯片制造、压电/摩擦能量收集、柔性透明导电薄膜等领域的应用。

【相关优质文献推荐】

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