柔性钠离子赝电容器:柔性可穿戴电子设备的福音

近年来随着消费电子产品小型化及可穿戴、可折叠、柔性、便携式电子产品的出现,能为之提供动力的轻、薄、柔性的储能器件的开发正在备受关注。目前,许多公司提出了柔性电子产品的概念,并开发了相关产品。例如:苹果公司的IPhone Procare概念机,透明的屏幕可以前后弯曲并且手机很薄。诸如这样的概念产品已有不少,然而,这些柔性电子产品的发展离不开与之匹配柔性电源的发展。为了满足可弯曲、可植入、可穿戴电子产品的需要,各国研究人员设计组装了各种类型的柔性电源,例如柔性的锂离子电池、柔性的超级电容器等。前者虽然具有较高的能量密度,但功率密度和循环寿命不佳,且受限于锂资源的匮乏;后者虽然具有高的功率密度和长的循环寿命,但能量密度较低,都不能很好的满足柔性电子的需要。

AFM zhangxiaogang

针对这一问题,南京航空航天大学材料科学与技术学院、江苏省能量转换材料与技术重点实验室张校刚研究团队设计开发了一种新型的储能器件——柔性钠离子赝电容器。该柔性电源采用电池型电极——钛酸钠纳米片阵列/碳布(Na2Ti3O7/CT)为负极,电容型电极——石墨烯薄膜(GF)为正极,兼顾了电池的高能量密度和电容器的高功率密度和长循环寿命。他们采用一步水热法(1 M NaOH)合成了Na2Ti3O7纳米片阵列/碳布复合材料。相较传统的合成纳米钛酸钠的方法,该方法具有绿色低成本的优点。前人报道的合成方法,要么是将TiO2在高浓度碱(一般为10M NaOH)中水热制备,该方法对环境有较大的污染;要么就是将钛酯在有机溶剂中溶剂热制备,该方法花费较大。该柔性复合材料可以直接用作钠离子电容器的负极,表现出了优异的倍率性能(3 A g1的电流密度下容量保持在110 mAh g1以上)和循环稳定性(1 A g-1的电流密度循环1000次容量保持率为86.7%)。优化组装的柔性钠离子赝电容器,具有极好的功率密度和能量密度以及良好的机械柔韧性。功率密度和能量密度分别有3000 W kg1和55 Wh kg1。基于整个柔性器件的体积功率密度和能量密度分别高达70 mW cm3和1.3 mWh cm3。即使在各种弯曲条件下,该柔性器件的输出能量基本保持不变。因此,该柔性钠离子赝电容器在可穿戴、柔性、可弯曲电子设备领域具有极大的应用前景。此外,该工作具有很好的通用性,对构建其它柔性器件具有很好的借鉴意义。

相关论文发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201600264)上。