聚吡咯涂布纸——透气、柔性及高性能超级电容器电极材料

当今,能源危机和环境问题日趋严重,迫使人类越来越重视可再生能源的开发和利用。然而,太阳能、风能和潮汐能等可再生能源具有明显的不稳定性。近年来,科学家们一直在寻求可靠的手段来收集这些不稳定的能源。实践证明,电化学储能装置可以胜任这一使命。与传统二次电池及传统静电电容器相比,超级电容器不仅具有较长的使用寿命,且具有较高的比能量和比功率,能够满足电动汽车、电子储能设备、轨道交通及家用电器等高功率储能器件的需求。因此,超级电容器一问世,便受到人们的广泛关注。

因为制备简单,成本低廉、导电性良好以及电位窗口较宽,聚吡咯受到了广泛的研究。此外,吡咯链上含有大量的氮原子,有利于增加电极材料的亲水性,从而促进电解液离子的脱吸附,提高超级电容器性能。而商用的无尘纸具有很好的柔韧性及多孔性。本文以商用无尘纸为基底,使用低温界面聚合的方法,将高导电的聚吡咯薄膜沉积到无尘纸上,形成透气及柔性超级电容器电极材料;并利用该电极材料组装成平面状对称型的全固态超级电容器。因具有超高的导电性和好的亲水性的聚吡咯及多孔无尘纸的协同作用,组装的超级电容器不仅具有优异的电化学性能,还具有良好的透气性和柔性。

最近,同济大学蔡克峰教授(通讯作者)等人使用无尘纸作为基底,采用低温界面聚合法制备了具有可透气、柔性及高性能的聚吡咯(PPy)涂布纸电极。由于高的导电性及润湿性的PPy和多孔的无尘纸的协同作用,所制备的电极材料不仅显示出优异的比电容和倍率性能(在电流密度为1和20 mAcm-2时比电容分别为3100和2579 mFcm-2),还具有优异的柔性、耐磨、抗拉伸和透气性。基于这些特性,用该PPy涂布纸为电极组装的全固态超级电容器显示出优异的电化学性能,在电流密度为1 和20 mAcm-2 时,比电容分别为736.1 和585.4 mFcm-2;在功率密度为0.42 mWcm-2 时,能量密度高达62.4μWhcm2;能量密度为9.13 mWcm2时,功率密度高达50.7 μWhcm2。同时,所组装的全固态超级电容器不仅具有优异的柔性,还具备良好的透气性。此方法制备简单,成本低廉,并且容易大规模、批量化生产,在可穿戴电子设备中具有很好的应用前景。

最后,我们相信,这样的制备思路以及对器件展开多功能化的研究思路也可以应用到其他的能源存储与转换的器件研究之中,为后续的研究打开了一扇窗。相关论文发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201701247)上。第一作者为同济大学材料学院硕士研究生陈元勋。

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