Advanced Energy Materials:3D打印构建具有优异面积性能的可拉伸微型平面超级电容器

随着现代科技的快速发展,人们对于可穿戴微型电子设备的需求日益增长,因此急需与其配套的可拉伸的芯片储能器件。微型超级电容器(MSC)作为一种新型的储能器件,不仅具有优异的电化学性能,如功率密度高、充放电速度快、循环寿命长等,还能与其他电子器件直接集成构建微型自供电系统,因此受到了广泛关注。为了满足实际应用中的对可穿戴电子器件的供电和使用需求,可穿戴储能器件必须满足两个要求:1)具有优异的单位面积电化学性能,以解决微型器件中有限空间的供电问题;2)可承受大于30%的拉伸应变,以满足人体日常运动需求。但是,由于传统电极材料结构性能的限制,现有的可拉伸MSC构筑技术都难以同时满足以上需求。

南开大学材料科学与工程学院梁嘉杰教授课题组在前期印刷柔性电子(ACS Nano 2019, 13, 649;Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800850)和高性能储能器件(Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987;Adv. Mater. 2018, 30, 1804165)的研究基础上,发展了一种具有流变特性的MXene-银纳米线(AgNW)-氧化锰纳米线(MnONW)-富勒烯(C60)的纳米复合电极胶体油墨,结合3D打印和定向冷干技术,成功构建了具有优异电化学性能的可拉伸的微型超级电容器及其阵列。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201903794)上。

该策略把高性能纳米复合电极材料和先进器件构建技术有效结合,具有以下优点和特点1)MXene和MnONW具有高电容,通过3D打印和定向冷干技术制备叉指电极,可提高电极厚度(达500微米)并引入多孔结构,极大地提高MSC的单位面积容量。2)高导电性的AgNW导电网络的引入,可保证电荷在整体三维电极结构中的快速有效的传输,进一步提高电化学性能和效率。3)电极内部定向蜂窝状多孔结构,可提高厚电极的机械稳定性,提高其拉伸性能。4)C60的引入可以降低MXene片层间的内摩擦,使电极层状孔壁结构可通过片层滑移吸收部分应力,进一步提高厚电极的拉伸稳定性。这几种作用的有效结合,并把胶体电解质渗入多孔电极中,构建所得MSC,其单位面积电容,能量密度,功能密度高达216.2 mF/cm2,19.2 μWh/cm2,58.3 mW/cm2;拉伸至50%应变,并经过上千次的拉伸循环后,器件仍保持优异的电化学性能。这项研究工作有望助推可穿戴电子设备的进一步发展。