密歇根州立大学曹长勇团队与杜克大学Jeff Glass团队合作Matter:基于直立碳纳米管阵列的可拉伸超级电容器

近年来，柔性可拉伸电子领域发展迅猛，可拉伸显示器、人造电子皮肤、可穿戴传感器和可植入设备等新型电子器件不断出现。要实现一体化的可拉伸电子系统，这些新型可拉伸电子器件需要与之相匹配的可拉伸电池和超级电容器等作为供能装置。超级电容器具有高功率密度、高循环效率和高能量密度，可进行多达上百万次充放电循环，在可穿戴和可植入供能设备领域中具有巨大的应用潜力。

近日，美国密歇根州立大学曹长勇教授团队和杜克大学Jeff Glass教授团队合作，在基于直立碳纳米管阵列的可拉伸超级电容器领域取得新进展。该研究中，科研人员成功利用褶皱的Au-CNT直立阵列（Au-CNT-forest）制作了耐用的高性能可拉伸电极，并以此为基础制备了对称双电极超级电容，在上千次拉伸实验中表现出非常好的机械性能和优异的电化学性能。实验测试表明，可拉伸Au-CNT-forest电极的电阻比单纯的CNT-forest电极的电阻低了近一个数量级，达到了比较厚的CNT网络薄膜电极的电阻水平。在不同应变条件下（面积应变为0％至800％），和较大的充电/放电速率（80 mA/cm²）下，双向可拉伸Au-CNT-forest电极表现出近乎不变的电化学性能，这是先前制备的纯碳纳米管电极无法实现的（Advanced Energy Materials, 2019）。实验结果显示,在很大的应变载荷下，褶皱Au-CNT-forest超级电容器具有卓越的机械稳定性和电化学稳定性,在40 mA/cm²的电流密度下其比电容可达6 mF/cm²。本项研究提供了一种简易的利用直立纳米管或其他材料纳米线阵列制备可拉伸超级电容器或可拉伸电池的新方法。

【图文导读】

图1：基于褶皱Au-CNT-forest的可拉伸电极的制备和表征。

图2：单向可拉伸Au-CNT-Forest 电极的电化学性能。

图3：双向可拉伸Au-CNT-Forest 电极的电化学性能。

图4：单向可拉伸CNT-forest电极与Au-CNT-Forest 电极的在不同应变下的电化学阻抗谱的变化和对比。

图5：可拉伸Au-CNT-Forest 电极的机械稳定性和电化学稳定性测试结果。

图6：不同测试条件下Au-CNT forest 超级电容器的电化学性能比较。

以上成果在Cell出版社的旗舰期刊Matter上在线发表。论文第一作者为周逸豪博士，论文共同通讯作者为密歇根州立大学曹长勇教授和杜克大学Jeff Glass教授。

论文链接:

Robust and High-Performance Electrodes via Crumpled Au-CNT Forests for Stretchable Supercapacitors, Yihao Zhou, Changyong Cao*, Yunteng Cao, Qiwei Han, Charles B. Parker, Jeffrey T. Glass*. Matter, 2, 1–17，2020. DOI: 10.1016/j.matt.2020.02.024

课题组网站：www.caogroup.org