新型柔性线状超级电容器

移动和可穿戴设备的快速发展需要高效的柔性微小型储能器件。柔性超级电容器因其高的功率密度、快速充放电能力、长寿命和安全性,非常适合作为微小型器件的储能单元。目前的柔性超级电容器大多为类似于纸的结构;而最近出现的线状柔性超级电容器为线状,尺寸更小、质量更轻、柔性更好、能够被弯曲成任意形状、打结或者编织进衣物中,因而具有比纸状柔性超级电容器更好的设计灵活性,更容易与移动和可穿戴设备集成。

在已经报道的三种线状超级电容器结构(平行、缠绕和同轴)中,平行和缠绕结构在弯曲过程中可能会发生电极分离,而同轴结构的器件在制作时精确地逐层组装比较困难。而且广泛使用的胶体电解质隔膜也存在短路的风险。因此,设计一种结构稳定组装方便,而且没有短路风险的线状电容器相当有必要。另外,柔性器件大部分时候工作在动态弯曲状态下,研究动态弯曲状态下线状超级电容器的结构和电化学稳定性,对于评估器件可行性和优化器件结构具有重要意义。而目前的绝大多数研究只关注柔性超级电容器在静态弯曲状态下的性能,动态弯曲状态下的性能很少被涉及。

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图片说明:报道的三种(左)和本文设计的平行双螺旋结构(右)线状电容器结构示意图

为了尝试解决上述问题,华中科技大学李会巧、翟天佑课题组设计出了一种平行双螺旋结构的柔性线状超级电容器。器件制作方法为在钛丝上电化学沉积二氧化锰制作成电极,然后两根相同的电极平行且间隔地缠绕在尼龙线上,填充胶体电解质之后封装。器件组装快速而可靠,避免了使用隔膜而又不会发生短路。静态和动态弯曲实验显示,这种结构的线状超级电容器具有极好的结构稳定性和电化学稳定性。静态弯曲不同角度对线状电容器的性能几乎无影响,经过3500次弯曲之后,依然能保持88.0%的初始容量。动态弯曲情况下电容器的输出会发生小幅度抖动,抖动的振幅随弯曲频率增大而增大并最终趋向一个最大值,而抖动的频率与弯曲频率相同。这种新的器件构型是一种很有前景的柔性线状超级电容器的结构设计。相关研究工作发表在近期出版的Small 上(DOI: 10.1002/smll.201503021)。