导电层状材料:全面增强导电高分子基自支撑柔性电极性能的新思路

柔性电子器件的兴起要求储能器件必须也具备柔性的特质,并且能够拥有优越的电化学性能。因此,设计具有高比电容、高循环稳定性的柔性储能器件成为了关键。其中,柔性超电容因其高功率密度受到了广泛的关注。然而,能量密度的不足一定程度上限制了柔性超电容的发展。为了提升能量密度,同时兼顾柔性,具有良好的导电性、电化学活性以及柔性的聚吡咯被广泛使用。但是,在传统制备柔性电极过程中无法避免聚吡咯的密堆积而带来的电化学性能的减弱。这种情况在聚吡咯自支撑柔性电极中更为明显。因此,如何有效避免聚吡咯密堆积带来的性能损失,同时又能提高聚吡咯自支撑电极的循环稳定性是拓展其应用前景的一个重要挑战。

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近期,香港城市大学物理及材料系支春义课题组使用一种新的导电层状材料—MXene(Ti3C2)作为增强体,制备了聚吡咯插层的柔性自支撑电极。一方面,层状MXene的加入带来的聚吡咯插层能够有效防止聚吡咯的密堆积,从而有效提高聚吡咯的利用率。另一方面,聚吡咯插层到MXene中能够有效增强聚吡咯骨链的稳定性,从而大幅提高自支撑电极的稳定性。基于此设计的聚吡咯基自支撑柔性电极的比容量可以提高30%,达到406 F/cm3;同时在20000次充放电循环中,比容量未见明显下降。另外,使用PVA/H2SO4凝胶电解质,组装成对称柔性超电容后,无论是比容量还是循环稳定性,表现依旧优异。而且,由于其自支撑特性,省去了集流体所占的体积,组装后的柔性超电容厚度可以控制到接近一张A4纸的厚度。

我们相信,利用MXene这种新的导电层状材料来一步解决高分子密堆积以及骨链不稳定的这种策略为增强自支撑柔性电极提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600969)。