Small Structures:具有优异储能性能的共平面聚吡咯基石墨烯水凝胶的合理设计

下一代柔性电子设备(如柔性显示器、人造电子皮肤、便携和可穿戴设备等)不仅要保证电子产品的性能和可靠性,同时还需具备很好的灵活性来改变形状。因此,设备的各个部件都需要遵循柔性(可折叠或可弯曲)的设计原则,而柔性储能部件的开发成为了其中关键。近年来,研究者陆续开发了不同种类的柔性储能设备,其中超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、循环稳定性好和安全性高的优点,被认为是最有潜力的柔性储能器件。目前,研究者设计了各种结构的柔性全固态超级电容器,二维纳米材料、黑磷、碳纤维膜、水/气凝胶等都已被用作超级电容器中的柔性电极材料。其中,石墨烯水凝胶具有比表面积大、机械稳定性好、密度低等优点,其3D多孔骨架结构还有利于电子的传输及电解质的扩散,但由于双电层电容的限制,石墨烯的比电容小于赝电容材料的电容。

针对这一主题,湖南大学郭坤琨教授及其合作者设计了一种简单的自组装策略,制备了共平面聚吡咯基石墨烯水凝胶,基于该材料的电极和超级电容器具有优异的储能性能。

在本工作中,作者首先通过原位界面聚合制备了聚吡咯@GO粉末,并通过自组装策略制备了聚吡咯基石墨烯水凝胶(PGR)。之后,作者采用SEM、XRD、FTIR、拉曼光谱、XPS和吸附曲线等方法表征了所制备PGR的组成和结构。结果表明,聚吡咯(PPy)纳米球均匀填充在石墨烯层之间,且PPy的存在可以避免氧化石墨烯的聚集,从而减小平均孔径并增大孔体积,有利于电荷的快速转移和电解液扩散。电化学表征结果显示,所合成的PGR材料具有双电层电容行为,表现出631.1 F·g-1的超高质量比电容(1 A·g-1)。最后,作者基于PGR材料制备了柔性非对称全固态超级电容器(FASC)。当电流密度为1 A·g-1时,该FASC具有100.4 F·g-1的比电容、91.3%的电容保持率(充放电循环3000次),并在折叠2000次后仍具有93.8%的高电容保持率。作者认为,通过该策略制备的聚吡咯基石墨烯水凝胶具有优异的性能,有潜力用作柔性储能器件的电极,加速柔性电子器件的发展。

通讯作者简介:郭坤琨,博士,湖南大学材料科学与工程学院教授,博士生导师。

Rational Design of Coplanar Polypyrrole-Based Graphene Hydrogels with Excellent Energy-Storage Performance

Jiannan Ding, Peng Chen, Bin Wang, Xuli Chen, Kunkun Guo*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100073

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100073

原创署名:潘奕辰