Adv. Funct. Mater. 具有形状记忆功能的超轻可穿戴超级电容器

满都烟柳 8年前 (2016-08-07) 6266浏览

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超级电容器具有快速充放电、高功率密度、长的使用寿命以及宽的温度适用范围等优点，是介于电池和传统电容器之间的一种重要储能器件。随着近些年便携式和可穿戴电子设备的发展，柔性耐形变储能器件的研究成为了热点领域。可穿戴耐形变超级电容器的制备有赖于获得合适的柔性电极。如何提高电极材料的电化学性能，并且使其具备优异的力学性能是柔性超级电容器研发中需要解决的重要问题。

近日，加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）研发出一种新型可穿戴超级电容器。电极集流体由化学交联的纤维素、碳纳米管气凝胶构成，具有低密度、弹性好、可形变等优点。研究表明，这种新型电容器能够大电流循环充放电超过 5000 次，并且在压缩、弯曲、扭转等形变下可保持原有的电化学性能，有望成为下一代可穿戴便携式的储能介质。

作者发现分散剂对纤维素/碳纳米管气凝胶的力学性能、电化学性能有显著影响。降低分散剂浓度可以增加气凝胶的孔隙率，降低杨氏模量，提高对储能纳米颗粒的负载。通过原位生长聚吡咯，气凝胶单位面积比电容随聚吡咯质量增加呈线性增长。纤维素/碳纳米管气凝胶柔性电极单位面积比电容最高可达到2.1 F cm-2。由纤维素/碳纳米管气凝胶构筑的对称型柔性电容器在0.9 v的工作电压下，能量密度为1.1 mWh g-1。

此外，该研究证明了利用化学交联方法制备的气凝胶可以用于大规模生产超级容器。直径为1-30 cm的电极集流体可通过冷冻干燥得到。此项工作为开发轻量化可穿戴超级电容器开辟了新的途径，并且提供了以天然物质制备高性能储能材料的新思路。

图1 a)用于制备纤维素/碳纳米管气凝胶的分散剂SDS和TCH，b）分散剂SDS和TCH对碳纳米管吸附作用示意图，c）冷冻干燥法制备纤维素/碳纳米管气凝胶示意图，d）所得到的气凝胶可以通过静电力吸附到塑料托盘上，体现了低密度。

图2 a) 证明了化学交联法可以制备出大体积的纤维素/碳纳米管气凝胶，（b-d）扫描电镜下纤维素/碳纳米管气凝胶的b）横截面与 c，d）不同放大倍数下表面的形貌图。

图3 a）纤维素/碳纳米管气凝胶聚吡咯负载质量与聚合时间的曲线，（b-f）扫描电镜下不同聚吡咯负载质量的气凝胶表面形貌图。

图4 a）纤维素/碳纳米管气凝胶单位面积比电容与聚吡咯负载质量的曲线，b）电极总体比电容与聚吡咯负载质量的曲线。

图5 a）在压应力的作用下，纤维素/碳纳米管气凝胶负载不同质量的聚吡咯应力-应变曲线，b）随着应变量增加（0-80%），纤维素/碳纳米管气凝胶厚度减小，c）500次压力循环后负载不同质量聚吡咯的纤维素/碳纳米管气凝胶形状恢复率。d）不同应变下，纤维素/碳纳米管气凝胶的循环伏安曲线。结果表明，聚吡咯提高了纤维素/碳纳米管气凝胶强度和形状记忆性能。纤维素/碳纳米管气凝胶电化学性能不随压力形变而变化。

图6 a）对称型纤维素/碳纳米管气凝胶超级电容器构筑示意图，b）对称型超级电容器在不同扫描速率下的循环伏安曲线，c）对称型超级电容器比电容与扫描速率的变化曲线，d）对称型超级电容器在不同充放电电流下的充放电变化曲线，e）对称型超级电容器比电容与充放电电流的变化曲线，f）对称型超级电容器承受弯曲，扭转，压缩形变作用时的循环伏安曲线，g）对称型超级电容器在15 mA cm−2 的电流下5000 次充放电的循环性能，h）对称型气凝胶超级电容器负载不同质量的聚吡咯能量-功率曲线。