Adv. Mater. 清华深研院康飞宇：基于高柔性片状电极的透气性可穿戴式能量存储系统

【引言】

随着便携式和可穿戴式电子器件的发展，柔性能量存储系统近年来成为一个热点领域。柔性超级电容器由于其快速充放电，高能量密度和长工作寿命而成为一类非常重要的柔性能量存储器件。对于衣物来说，透气性是非常必要的一个指标。而实现由柔性纤维制备的超级电容器的可携带能量存储系统的透气性，理论上虽可行，但实施难度比较大。另一种制备透气性能量存储系统的思路是合成二维多孔超级电容器材料。

【成果简介】

近日，清华大学深圳研究生院的康飞宇教授等人利用高柔性层状电极构筑了透气性可携带式超级电容器。他们将具有透气网格的片层作为柔性结构的基底，向其沉积碳纳米管（CNTs）和二氧化锰，用以制备片状电化学活性电极。该电极不仅具有异常高的倍率容量和循环性能，而且具有足够的柔性用以迎合折叠，扭曲，塑形等可穿戴设备的需要。

【图文导读】

图1 、透气性超级电容器在织物上应用的流程示意图

两步法制备透气性的小格子服装的示意图，例如，a）纤维状可携带超级电容器做成纺织品，b）在柔性二维超级电容器上造成大量贯通的孔洞。

图2、PCM材料的结构成分分析

a-c）PCM（沉积有CNTs和MnO₂ 的片状电极）材料扫描电镜图片。

d）Mn，O，C元素在PCM材料的分布（所选区域面基大约为500um²）。

e）PCM的Mn 2p的XPS能谱图。

f）PCM上的CNT/MnO₂ 的透射电镜照片。

图3、PCM材料经过不同处理后的电化学性能测试

a）PCM片状材料被做成条状，线状，环状。

PCM材料在 b）扭结，c）弯曲，d）包在滴管上，e）揉成球状，f）折成纸鹤状。

g）PCM在不同情况下，诸如剧烈搅拌（30s）,超声5min以及在水中折叠和浸入乙醇中都是稳定的。

h）PCM片状材料沿着不同方向和浸入水中1h后的拉力曲线。

i）CNTs和CNT/MnO₂ 修饰过的透气片状材料电导性。

图4、PCM材料器件化之后的电化学性能测试

PCM纸状电极组装成的对称超级电容器的电化学性能曲线：

a,b）不同扫描速率的CV曲线。

c）电流密度分别为10mA cm^-2 和20mA cm^-2 下的GCD曲线。

d） 标号为P4C, PCM,和 PCMD的对称电容器ragone曲线；e）1 V s⁻¹ 条件下的循环曲线（插图为第一圈，第三千圈，第一万圈和第两万圈循环的CV曲线）。

f）1 V s⁻¹ 条件下的CV曲线和g）电流密度分别为10 mA cm^-2 和20 mA cm^-2 的PCMD样品对称超级电容器的GCD曲线。

经受不同形变后的PCM纸状电极在 1 V s⁻¹ 下的CV曲线:

h）弯曲0次，50次，100次。        i）揉成一个球体或者折叠成纸鹤。

j）剪裁成线状电极。                  k）拉伸20%后自动恢复到某种程度。

l）制备成含有大通孔（下方）和小通孔（上方）的圆形PCM电极。

图5、PCM固态超级电容器电化学性能测试

a）不同弯曲角度的PCM固态超级电容器的容量保存，照片以及对应的CV曲线。

b）原始状态和制备出透气性通孔的固态PCM超级电容器的CV曲线。

c）不同次数折叠后的固态PCM超级电容器的容量保存，照片和对应的CV曲线。

d）透气性超级电容器的GCD曲线。

e)气流通过不同样品的压力降（直线代表这些数据的最佳线性拟合）。

小结

本研究基于高柔性纸状电极表面的孔洞化自组装制备了透气性的可携带式能量存储系统。这种纸状电极不仅具有优良的电化学性能，而且能够保持足够的韧性和钢性来承受包括弯曲，破口，褶皱，折叠在内的各种形变。

文献链接： Breathable and Wearable Energy Storage Based on Highly Flexible Paper Electrodes （Adv. Mater.，2016，DOI: DOI: 10.1002/adma.201602541 ）

本文由材料人编辑部新能源学术组东海木子李供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”， 欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。