具有高容量和优异倍率性能的柔性超级电容器

石墨烯和聚苯胺形成三维复合结构,表现出优异的超级电容器性能

随着便携、可穿戴电子设备的发展,柔性的超级电容器得到越来越广泛的关注和研究,以适应不同应用领域的储能需求。在柔性超级电容器中,具有高容量、高充放电倍率性能的柔性电极材料的设计和制备至关重要。石墨烯和导电聚苯胺分别具有双电层电容和赝电容的储能特性,是两类最具代表性的超级电容器电极材料。通过在纳米尺度上合理的材料设计,将两种材料有效复合,有望发挥两类材料的协同效应,制备高性能柔性超级电容器。

国家纳米科学中心的魏志祥研究员课题组以此为出发点,设计并制备了具有相互联通大孔结构的三维石墨烯自支撑膜,并在此基础上复合了聚苯胺纳米线阵列。三维石墨烯的制备以碳酸钙为模板,非常容易去除,制备的石墨烯膜具有良好的可弯曲特性。从横截面的扫描电子显微镜照片中,可以看到石墨烯膜中相互联通的大孔结构,保证了其与聚苯胺纳米线的有效复合。聚苯胺形貌为垂直于石墨烯片层的纳米线阵列结构,有利于充放电过程中离子的快速进入和脱出。由于聚苯胺高的比容量特性,复合膜的比电容性能较单纯的石墨烯膜提高了近3倍;同时三维大孔结构与纳米线阵列复合的设计,优化了电极材料中离子的传输路径,使得复合膜具有良好的倍率性能。以复合膜为电极材料,成功组装了的柔性超级电容器,其电容随弯曲程度不同几乎没有变化,并且保持了良好的倍率性能。

该工作通过电极材料纳米结构的优化设计,利用简单的方法制备了高性能超级电容器电极材料,在柔性储能器件中具有良好的应用前景。