微结构设计:提升线状超级电容器电化学性能的新思路

近年来,可穿戴电子设备,如智能手环、智能鞋垫、Google眼镜、Apple手表和电子织物等的兴起,使之迅速成为世界各国研究的热点,并具有广阔的市场空间。然而,作为驱动这些智能器件的柔性、便携式储能器件却存在明显的滞后和性能低效等问题,严重制约了新一代可穿戴智能电子产品的开发与应用。作为一种新型能源存储器件,线状超级电容器兼具功率密度高、循环寿命长、可靠性高、环境友好、质轻、柔软、可与传统的低成本和大规模织造工艺相兼容、便携和可穿戴等诸多优点,受到众多研究者的广泛关注。纤维电极作为线状超级电容器的核心组成部分,是研究的重点和难点,其性能不仅取决于材料,还依赖于纤维的微结构。然而,目前纤维电极的研究主要集中于材料方面,而忽略纤维微结构的调控。

针对这一问题,南京工业大学先进材料研究院、国家级柔性电子材料与器件国际联合研究中心、教育部柔性电子国际合作联合实验室、江苏省柔性电子重点实验室的孙庚志研究团队与新加坡南洋理工大学化学与生物医药工程学院的陈鹏课题组、材料科学与工程学院的张华课题组合作开发了一种新型结构的复合纤维电极。该研究通过层层组装的方式,将碳纳米管(400 μm长CNT)与化学还原的氧化石墨烯(rGO)复合,构建具有层状结构的复合薄膜,经加捻缠绕形成CNT/rGO/CNT复合纤维。由于纤维特有的层状结构以及CNT与rGO的高度取向性排列,该纤维表现出良好的机械柔韧性、电导率及可编织性。基于该复合纤维的全固态线状超级电容器表现出优异的倍率性能(1 A cm-3的电流密度下容量可达24.1 F cm-3)及循环稳定性(1 A cm-3的电流密度循环10,000次容量保持率为83.3%)。器件的体积功率密度和能量密度分别高达2 W cm−3和6.45 mWh cm−3。即使在对折条件下,该柔性器件的性能基本保持不变。因此,该全固态线状超级电容器在柔性、可穿戴电子设备领域具有极大的应用前景。

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我们相信,该项成果不仅为高容量纤维电极的可控制备及线状超级电容器性能的提高提供新的研究思路,同时具有很好的通用性,对构建其它柔性器件具有借鉴意义。相关论文发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201600102)上。