Advanced Materials Technologies: 可印刷柔性超级电容器:可打印的Ta作为基板具有高稳定性和增强的界面附着力

具有长工作寿命,优异功率密度和更高机械稳定性的超级电容器,由于其作为可穿戴电子设备上的电源的巨大潜力而越来越受到关注。然而在重复循环时,导电基板和活性材料之间的不稳定界面导致低导电性和较差的器件性能,从而阻碍其实际应用。目前许多研究选择铝箔、铜箔、泡沫镍、碳布(纸)等作超级电容器集流体的材料,然而它们存在类似适用电解液不广泛、易受电解液腐蚀和机械强度低等问题。因此,能否摆脱传统电极材料的这些弊端和限制成为了目前研究的一个热点和难点。

吉林大学王丽丽副教授课题组和韩炜教授课题利用具有无毒,高稳定性和优异导电性的金属Ta可同时满足用于水系和有机系等超级电容器电解质,应用范围广泛。此外,具有诸如强延展性,可弯曲性和机械稳定性等重要特征的Ta箔可用作制造固态柔性装置的电极基板。针对导电基板和活性材料之间的不稳定界面导致低导电性和较差的器件性能等问题,研究者采用新型电火花放电可印刷方法制造了一种高性能柔性储能平台。在Ta箔与粘合剂接触的近表面层中打印嵌入碳颗粒阵列,不仅增加导电基底的表面的粗糙度,增强电极各层之间的机械稳定性;而且缩短了电荷传输路径,增加了电极层间导电性,从而提升电极的整体性能。由于Ta箔表面上的印刷碳处理,碳膜堆叠的附着力得到了大大增加,制造出在其表面上具有印刷碳颗粒的Ta-C-carbon film电极,开发出具有增强的储能性能和改善柔韧性的高性能超级电容器。

该课题组依靠敏锐的嗅觉发现钽箔是一种潜在的用于制造超级电容器基板;它具有很强的耐腐蚀性,良好的可弯曲性和机械稳定性等优良的特性。这项工作描述了表面具有印刷碳颗粒的可印刷钽箔基板,显示出高粘合性和极大改进的界面性能;具有这种可印刷基板的柔性固态超级电容器实现了更高的体积电容,出色的能量密度,更高的功率密度,并表现出出色的机械灵活性。这些结果表明,使用具有增强的粘合界面的可印刷基板的策略为获得高度稳定和高性能的超级电容器提供了实用型方法,应用于便携式设备和柔性电子设备潜力巨大。

研究者相信,此项研究将为以后柔性超级电容器电极的选材、电极表面处理和增强电极整体机械稳定性等研究方面提供一些新的思路。相关结果发表在Advanced Materials Technologies(DOI:10.1002/admt.201900338)上,并选作Hot Topic: Carbon, Graphite, and Graphene。