日前，中科院電工研究所馬衍偉研究組與國(guó)家納米科學(xué)中心魏志祥研究組合作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(guó)際著名材料學(xué)期刊《先進(jìn)材料》（Adv. Mater, 2015, doi:10.1002/ adma.201503543），并已申請(qǐng)了國(guó)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(wèn)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(guò)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(guò)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(wàn)次容量無(wú)衰減），如圖3所示。此外，連續(xù)彎折上千次，其電容性能沒(méi)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(guó)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(guó)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。