Advanced Functional Materials:微生物辅助合成三维网络粘结体系构筑仿蛛网高性能超级电容器

随着智能时代的到来,柔性可穿戴化已是当今电子设备发展的主要方向之一。为满足下一代柔性电子器件的发展需求,构筑与之相适应的柔性便携型储能器件成为当前面临的巨大挑战之一。在已有的储能设备中,超级电容器具有高功率密度、快速充放电速率和长循环寿命等优势,有望成为下一代柔性电子产品的商业电源。然而,柔性可穿戴超级电容器的制造仍存有问题亟待解决。限制因素之一是电极,其强韧性和比电容两个性能指标至关重要。传统的电极材料难以在具备高强韧性的同时兼顾理想的比电容。因此,探索新的电极结构设计策略,实现电极材料高强韧和高比电容的集成具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队报道了一种微生物辅助合成三维网络粘结体系的新策略,构筑了仿生高性能超级电容器。他们创造性地在微生物发酵合成细菌纤维素的同时原位进行电极活性颗粒分散液的气溶胶沉积,成功地在细菌纤维素三维结构粘结体系的合成构筑过程中实现了电极活性颗粒的实时原位复合,从而一步制备了仿蛛网结构高性能电极。该三维网络粘结体系的仿蛛网结构电极具有突出的强度和柔韧性,这使其在反复弯折之后依旧保持力学和电学性能的高度稳定。在高强韧力学性能的基础上,该材料的面电容可达4.62 F cm-2,在柔性能量存储方面具有广阔的应用前景。同时,该技术对于探索粘结剂构筑机制与方法以提高电极性能具有指导和借鉴意义。

蜘蛛网,作为自然界中极具吸引力的材料,一直以其用于捕猎的轻量化结构而闻名于世。受蛛网结构可有效捕获昆虫启发,这种电极构筑策略充分利用了微生物发酵的自组装过程,即在细菌纤维素三维结构粘结体系的合成过程中,通过气溶胶辅助沉积的方法,将混合了活性炭和炭黑的分散液实时原位地捕获在粘结体系三维框架结构中,确保了电极材料在使用过程中始终保持为一个整体而不裂解。与此同时,该粘结体系自身的三维框架结构还保证了电极材料内部具有足够的孔隙率,这为电解质溶液的离子传导提供了捷径,保证了离子在电极内部的快速传输,有利于电极活性物质载量提高时减小性能衰减,进而有效提高面积电容。    

该仿蛛网结构电极在力学和电学性能方面极具优势,可反复弯折一万次,有望应用于柔性可穿戴超级电容器等领域。在力学方面,该电极材料兼具高强度(19.5 MPa)和高应变(29%),可长时间稳定负载1kg的重物,这是传统高分子粘结剂所难以实现的。在电学方面,得益于由三维结构粘结体系实现的高质量载荷和快速离子扩散,该仿蛛网结构电极实现了高达4.62 F cm-2的面积电容,其相应的对称超级电容器的能量密度高达0.18 mW h cm-2。此外,该仿蛛网结构电极可在反复一万次弯折之后依旧保持力学性能和电学性能的高度稳定,有利于其在长期使用期间保持良好的性能。该策略通过巧妙的仿生结构设计实现了对高强韧、耐弯折、高比电容、高储能密度等优势的有效集成,这对于探索提高电极性能的材料构筑机制与方法具有指导和借鉴意义。

论文信息:

Sustainable 3D Structural Binder for High-Performance Supercapacitor by Biosynthesis Process

Qing-Fang Guan, Zhang-Chi Ling, Zi-Meng Han, Tong-Tong Luo, Huai-Bin Yang, Kun-Peng Yang, Chong-Han Yin, Shu-Hong Yu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105070

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105070