Energy Technology: 用于大规模制造柔性全固态超级电容器的全喷涂层次纳米结构导电聚合物水凝胶

由于便携式和柔性电子产品的普及,对低成本加工制造、轻量化设计和相当大的机械柔性电源的研究兴趣不断上升。在各种电源中,柔性超级电容器以其充电放电速度快、能量密度适中、功率密度高、循环稳定性好以及接近传统电池能量密度的潜力成为最有前景的选择之一。柔性全固态超级电容器作为一类新兴的柔性超级电容器,以其优良的安全性和显著的灵活性,在电源领域具有广阔的应用前景。值得注意的是,通过电极材料的最新进展,柔性全固态超级电容器的性能得到了显著改善。目前,此类电极通常由电化学活性炭材料、过渡金属氧化物、导电聚合物(CPs)和这些材料的复合材料制成。其中,CPs由于其软性和固有的高赝电容而引起了人们的极大关注。与CPs相关,以往的研究大多倾向于设计独特的纳米结构或揭示CPs与其他材料(如含碳材料和过渡金属氧化物)之间的协同效应,但迄今为止,对CPs衍生物的研究很少报道。

中国西南交通大学材料学院杨维清课题组提出了一种层次纳米结构的聚苯胺/植酸导电聚合物水凝胶(PP-CPHs),用于大规模全固态柔性超电容器的全喷涂制备,其中植酸用作掺杂剂和交联剂相互作用与聚苯胺分子链形成互连网络。相关结果发表在Energy Technology(DOI: 10.1002/ente.201801109)上。

由于充分预测了由互连纳米棒构建的三维多孔纳米结构,这些相互连接的纳米棒自然形成连续的电子传递相,网络中分布的孔形成了离子和质量传递的畅通通道,基于PP-CPHs的柔性全固态超级电容器在电流密度为1 mA cm-2时表现出91 mF cm-2的良好区域电容。最令人兴奋的是在5 mA cm−2下进行10000次循环后,电容保持率为93.5%,显著改善了循环稳定性。值得说明的是,在弯曲、扭转等各种机械载荷作用下,该装置的电化学性能也能持续稳定。此外,该装置还显示了其通用串联和并联连接的显著集成能力。毫无疑问,基于PP-CPHs的柔性全固态超级电容器的低成本加工和独特的结构设计使其成为未来可穿戴电子器件和柔性电子器件的一个有前途的电源候选。