蘇州納米所柔性超級電容器研究獲進展
隨著柔性電子學(xué)的發(fā)展,可穿戴電子設(shè)備正在飛速進入人們的生活。為了實現(xiàn)可穿戴器件的產(chǎn)品化,其供能部件也需要柔性化和高性能化,因此,高性能的柔性儲能器件將越來越顯示出其潛在的市場價值。超級電容器作為一種新型的電能存儲器件,能量密度高于傳統(tǒng)的平行板電容器,功率密度和使用壽命優(yōu)于鋰離子電池,因而被廣泛研究。然而,超級電容器在遭受彎曲變形以后,高分子電解質(zhì)層保持良好,電極材料結(jié)構(gòu)往往被破壞,儲能特性下降。電極材料力學(xué)性能的欠缺嚴重限制了超電容在柔性可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用,因此,兼具力學(xué)特性與儲能特性的柔性超級電容器的研制,仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。
近期,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國際實驗室研究員陳韋課題組設(shè)計制備了一種MOF結(jié)構(gòu)多孔碳材料,并基于該材料成功構(gòu)筑了兼具力學(xué)柔韌性與高儲能特性的柔性超級電容器。該團隊首先在碳納米管表面原位生長了MOF材料,接著使用高溫退火處理得到了MOF結(jié)構(gòu)多孔碳材料。這種新材料具有高氮摻雜(17.82%)、高比表面積(920m2g-1)、窄孔分布(2.5 nm)以及高導(dǎo)電性(278 S m-1)等特性。從結(jié)構(gòu)設(shè)計上看,碳納米管不僅提高了材料導(dǎo)電性,而且賦予了材料連續(xù)性與柔韌性;另一方面,MOF結(jié)構(gòu)則起到吸附容納離子的作用。研究表明,新材料在水體系下測得的比電容高達426F g-1,并且歷經(jīng)1萬次循環(huán)后性能不衰減。該團隊利用聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)/離子液體電解質(zhì)層進一步與電極組裝成柔性薄膜超級電容器,實驗證明,器件在遭受扭曲、拉伸以及折疊等變形之后,性能保持良好并且運行穩(wěn)定,在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。相關(guān)成果已發(fā)表在《先進功能材料》雜志上(Advanced Functional Materials, 2017, 27,1606219)。 該工作得到國家自然科學(xué)基金、江蘇省杰出青年自然科學(xué)基金、科技部港澳臺合作專項和科技部重大科學(xué)研究計劃等的資助。 圖1. MOF結(jié)構(gòu)多孔碳材料制備工藝 圖2. MOF結(jié)構(gòu)多孔碳儲能特性表征 圖3. 柔性超級電容器性能表征 |