基于有机体系的高电压柔性固态超级电容器

随着柔性可穿戴电子设备的发展,开发具有高能量密度、长循环寿命和优异力学可弯折性能的柔性固态超级电容器成为一个极为紧迫的需求。根据超级电容器能量密度E的计算公式(E=1/2 CV2)可知,提高能量密度的途径包括提高电极材料的比容量C以及拓宽器件的工作电压V。当前提高柔性固态超级电容器能量密度的研究大多集中于提高电极材料的比电容。而电解质一般采用水凝胶聚合物电解质,受限于水的分解,其工作电压范围一般不超过1.23V。考虑到能量密度与电压范围的平方成正比,拓宽电压范围对于提升能量密度将更为有效。如何有效提高器件的电压范围成为当前柔性固态超级电容器研究领域面临的一个重要挑战。

最近,中国科学院电工研究所马衍伟课题组采用多级次石墨烯复合电极与离子液体凝胶聚合物电解质,首次开发出具有3.5V电压窗口的高能量密度柔性固态超级电容器。该研究通过调控电极的微观结构和引入离子液体凝胶电解质,成功制备出具有高电压窗口的柔性固态超级电容器,并有效提升了器件能量密度。这为今后提高柔性固态超级电容器的能量密度提供了一种有效策略。

多级次石墨烯复合电极是由石墨烯和碳化的聚苯胺纳米线组成,不仅实现了一维纳米材料和二维纳米材料的多维度复合,还具有丰富的纳米孔道结构,有利于大尺寸的离子液体电解质离子在材料内部的扩散与存储。此外,该复合材料还具有2416m2/g的大比表面积和7246 S/m的优异导电率,特别适合作为有机体系的超级电容器的电极材料。基于该电极材料和离子液体凝胶电解质薄膜组装的柔性固态超级电容器展现出高比电容(180 F/g)和良好的倍率性能,以及优异的能量密度(75Wh/Kg)。充放电10000次循环后,容量仍然可以保持85%以上。此外,通过原位测试反复弯折状态下的电容性能,发现该柔性固态超级电容器显示了良好的耐弯折性能,连续弯折1000次后容量仍可以保持88%。这表明该柔性固态超级电容器不仅具有良好的电化学性能,还展现出优异的力学耐弯折性能。

相关研究结果发表于Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201704463)上。

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