Advanced Materials:高安全性、高能量密度可穿戴超级电容器设计新策略

目前,具有柔性且高度集成化的可穿戴电子器件正在逐步取代传统器件成为电子领域的新兴产业。柔性储能器件作为可穿戴器件中最重要的供能元件,已成为现阶段主要的研究方向。在众多的柔性储能器件中,超级电容器因成本低廉,功率密度高,循环性能好等特点而备受关注。尽管商业化的超级电容器具有高的能量密度和功率密度来驱动可穿戴器件,但其可燃性和腐蚀性有机电解液的添加为可穿戴器件带来了巨大的安全隐患。与之相对应的水系超级电容器,虽然具备优异的安全性能,但受限于窄的电压窗口,其能量密度低下,驱动可穿戴器件往往需要集成大量的器件,这严重制约了其应用。因此,开发一种新的电极策略来制备具有高安全性和高能量密度的柔性超级电容器成为实现高集成可穿戴设备的关键。

近期,香港理工大学纺织及服装学系郑子剑教授课题组设计了一种可规模化制备高载量柔性电极的策略(Soft hybrid scaffold (SHS) strategy),并利用该策略制备出具有较高电子电导、离子电导的高载量柔性电极结构。该高载量柔性电极展现出超高的电化学储能性能,有望解决可穿戴器件的能源存储问题。作为该策略的验证,作者选用传统的一维、二维电容材料为基本单元,通过简单的抽滤手段,制备了载量高达35 mg cm-2的三维多孔柔性电极。在此多孔柔性电极中,一维和二维电极材料相互连接成三维网状结构,使得该电极具备较高的导电性和优异的机械稳定性。另外,多级孔结构的存在又为电化学储能过程中必需的离子传输提供了畅通无阻的通道。得益于此独特的微观结构,即使厚度高达400 µm,该电极仍然表现出非常优异的电子电导,离子电导和面积比容量(6.0 F cm-2)。

利用SHS策略构建的柔性可穿戴超级电容器展现出超高面容量(2.91 F cm-2)和能量密度(11.3 Wh kg-1, 1.05 mWh cm-2, 9.93 Wh L-1),该能量密度远高于文献报道的基于一维线状和二维薄膜态超级电容器,且已达到商业化超级电容器和水系电池的水准。此外,基于SHS策略的超级电容器还表现出优秀的柔韧性(折叠4000次以后,电容保留值达到97.5%)、循环性(循环3000次以后,电容保留值达到90.9%)、可剪裁性和防水防火性,能够满足生产使用中的折叠,剪裁、浸水和火烧等极端情况。最值注意的是,该工作所提出的SHS策略具有“选材广泛”和“可规模化制备”的特点,能够为今后高载量柔性电极的构建和应用提供新的思路!相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201907088)上。