原位气相沉积聚合:提升PEDOT可拉伸超级电容器性能的新思路

可拉伸电子设备由于在便携性、可穿戴性方面的独特优势,是近年来柔性电极技术领域里兴起的研究热点。随着各类可拉伸功能器件的发展,开发具有高稳定性、高能量密度与功率密度的可拉伸电源变得愈发迫切。超级电容器具有功率密度高、充放电快速、循环稳定性高等优点,因而受到学界的广泛关注。PEDOT由于其良好的导电性、电化学活性与机械稳定性成为超级电容器的一种理想电极材料,但受限于聚合及负载方法,基于PEDOT作为活性电极材料的可拉伸超级电容器性能仍有待进一步提升。针对高性能可拉伸PEDOT超级电容器的开发,PEDOT负载方式的改进是重中之重。由于可拉伸电极表面往往具有非常复杂的三维结构,并存在较多微观起伏与孔隙,传统的PEDOT负载方法很难完全覆盖电极表面,存在孔隙渗透率低等缺点,难以制备出厚度较为均匀且覆盖完全的PEDOT薄膜。

AMTzhoudechun近期,北京大学邹德春教授课题组采用新型的原位气相沉积聚合方法,通过对可拉伸织物进行PEDOT修饰,构建出可拉伸、性能稳定的超级电容器,并表现出较高的面积比电容(0.64 F/cm2)与体积比电容(5.12 F/cm3)。在拉伸程度100%或充放电循环50000次后,电容值基本没有衰减,表现出了良好的机械稳定性及电化学稳定性。与浸渍PEDOT:PSS分散液、氧化偶联聚合等传统PEDOT负载方式相比,该种新型的原位聚合方法将单体气化后沉积在基底表面,经加热后原位聚合生成PEDOT薄膜。由于采用气相沉积的方式,单体可以充分渗透进入基底表面的孔隙结构,不会存在溶液浸渍过程中孔隙渗透率不足的缺点;此外,聚合过程前无需对电极基底进行任何前处理工作,也无需负载FeCl3等氧化偶联剂,有助于减少PEDOT薄膜中的杂质残留,并有利于未来的大规模的工业级电极制备。此外,此种新型聚合方法还表现出了较高的基底普适性,在其他织物基底材料表面同样制备出高质量的PEDOT薄膜,因此可直接在不同织物基底上构筑可穿戴电极,在可穿戴器件方面尤其具有优势。这是首次采用原位气相沉积聚合的方式构筑PEDOT可拉伸超级电容器,为PEDOT可拉伸超级电容器性能的提升提供了新思路,未来还有很大潜力有待挖掘。

相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.201600009)上。