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中科院電工所制備出集成式新型固態(tài)柔性超級(jí)電容器

   2015-10-22 世紀(jì)新能源網(wǎng)53570
核心提示:日前,中國科學(xué)院電工研究所馬衍偉研究組制備出具有高面積比容量、優(yōu)異充放電循環(huán)性能和柔性性能的新型固態(tài)柔性超級(jí)電容器。相關(guān)研
日前,中國科學(xué)院電工研究所馬衍偉研究組制備出具有高面積比容量、優(yōu)異充放電循環(huán)性能和柔性性能的新型固態(tài)柔性超級(jí)電容器。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于國際材料學(xué)期刊《先進(jìn)材料》(Adv. Mater, 2015, doi:10.1002/ adma.201503543),并已申請(qǐng)了國家發(fā)明專利。

當(dāng)前的固態(tài)柔性超級(jí)電容器大多是由兩個(gè)自支撐的柔性電極薄膜和中間凝膠態(tài)電解質(zhì)薄膜疊放在一起形成的多層膜堆疊結(jié)構(gòu)。凝膠的高粘度和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)限制了電解質(zhì)離子在電極內(nèi)部的擴(kuò)散性,因此難以獲得較高的面積比電容。此外,多層堆疊的器件在不斷彎折時(shí)容易造成層與層之間的機(jī)械剝離損傷,使得器件內(nèi)阻上升,甚至整體電容性能衰退。因此,如何制備出高性能柔性超級(jí)電容器仍然充滿挑戰(zhàn)。

為解決這些問題,該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)將柔性超級(jí)電容器的關(guān)鍵成分,電極-電解質(zhì)-電極層集成于單個(gè)柔性水凝膠薄膜上,形成一體化(All-in-one)的新型器件結(jié)構(gòu),如圖1所示。與目前多層膜堆疊的傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)相比,該結(jié)構(gòu)有利于凝膠電解質(zhì)離子在較厚電極層內(nèi)部的擴(kuò)散和提升力學(xué)耐彎折性能。

在具體制備過程中,該團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)交聯(lián)-鑄膜的方法制備出自支撐的化學(xué)水凝膠薄膜,該薄膜具有優(yōu)異的離子導(dǎo)電率(0.082S cm-1)和力學(xué)耐拉伸性能(可拉伸至300%),如圖2a-c所示。繼而通過化學(xué)原位聚合反應(yīng)將導(dǎo)電聚合物沉積于水凝膠的上下兩個(gè)表面和近表面的內(nèi)部,形成復(fù)合水凝膠薄膜。如圖2d-e所示,該薄膜內(nèi)部具有導(dǎo)電聚合物層-水凝膠層-導(dǎo)電聚合物層的排列,因此可形成一體化(All-in-one)的集成式固態(tài)柔性超級(jí)電容器。該新型結(jié)構(gòu)固態(tài)柔性超級(jí)電容器具有十分突出的面積比容量(488 mF cm-2)和優(yōu)異的充放電循環(huán)穩(wěn)定性(循環(huán)上萬次容量無衰減),如圖3所示。此外,連續(xù)彎折上千次,其電容性能沒有衰減。優(yōu)異的性能可望使這種新型柔性超級(jí)電容器應(yīng)用于下一代可穿戴電子設(shè)備的功率型儲(chǔ)能器件中。

在研究組的相關(guān)前期研究工作中,研究人員探討了凝膠態(tài)電極材料在固態(tài)柔性超級(jí)電容器中的應(yīng)用。研究人員制備出基于導(dǎo)電聚苯胺水凝膠電極材料。與固態(tài)電極材料相比,該凝膠態(tài)電極材料由于具有更加充分的離子可到達(dá)性,因此展現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能和充放電倍率性能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于英國皇家化學(xué)會(huì)的《材料化學(xué):A輯》(J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 19726)。

上述研究獲得國家自然科學(xué)基金委和電工所創(chuàng)新人才引進(jìn)計(jì)劃的大力支持。

 
圖1 化學(xué)交聯(lián)的高分子自支撐水凝膠薄膜 
 
  圖2 基于聚乙烯醇的化學(xué)水凝膠膜和導(dǎo)電聚合物-化學(xué)水凝膠復(fù)合薄膜(具有導(dǎo)電聚合物-電解質(zhì)-導(dǎo)電聚合物的三明治排列結(jié)構(gòu)) 
 
圖3 一體化集成式固態(tài)柔性超級(jí)電容器的電化學(xué)性能 
 
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