师法自然:具有高输出电压的纤维状超级电容器

自然界始终是人类科技发展的灵感源泉。作为自然王国最强大的放电者,电鳗可以在瞬间产生高达600 V的电压,用以捕食和退敌。人类在惊叹于其强大的放电能力的同时,也在思考如何借鉴其独特的微观结构,以期实现与其接近甚至更加强大的放电能力。尽管电鳗的单个放电细胞仅能产生约0.15 V的电压,数以千计的放电细胞通过有序的串联连接却可以获得高达数百伏特的输出电压。虽然学术界对于该结构已经开展了广泛的研究,然而尚未实现对这一结构的模仿以获得高输出电压的能源器件。另一方面,较低的器件工作电压是能源器件领域长期存在的问题。以基于水系电解质的对称超级电容器为例,单个器件的最高工作电压一般低于1.23 V,因此必须通过串联来提高输出电压,以满足实际应用的需求。然而,利用导线进行连接的传统方法无疑将极大的破坏器件的柔性和集成性,并将提高器件的生产成本和复杂性。如何有效提高储能器件工作电压,同时最大程度保持器件集成性仍然是该领域面临的一项重大挑战。

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近日,复旦大学高分子科学系彭慧胜教授研究团队通过模仿电鳗放电细胞的有序结构,设计并制备出一系列具有高输出电压的纤维状超级电容器。这种纤维状超级电容器以可拉伸聚合物纤维作为基底,通过共用电极的巧妙设计有效实现了相邻超级电容器单元的串联连接,获得了高且可控的输出电压。单根纤维上的最高输出电压达到1000 V,并兼具柔性和可拉伸性,在弯曲和拉伸100000 次后容量仍能维持95.6%和96.6%。其独特的一维结构使其可以极为方便的与日常使用的布料或衣物进行编织,获得轻质、柔性的能源织物,用来驱动日常消费电子产品和可穿戴设备。此外,该工作提供的普适性方法同样可以用来制备具有高输出电压和集成性的太阳能电池、锂离子电池以及能量转换和储存集成器件,用以构建具有高度柔性和可穿戴性的新型能源系统。

相关工作发表在近期的Advanced Materials(DOI : 10.1002/adma.201505742)上。