蘇州納米所柔性超級電容器研究獲進(jìn)展

隨著柔性電子學(xué)的發(fā)展，可穿戴電子設(shè)備正在飛速進(jìn)入人們的生活。為了實現(xiàn)可穿戴器件的產(chǎn)品化，其供能部件也需要柔性化和高性能化，因此，高性能的柔性儲能器件將越來越顯示出其潛在的市場價值。超級電容器作為一種新型的電能存儲器件，能量密度高于傳統(tǒng)的平行板電容器，功率密度和使用壽命優(yōu)于鋰離子電池，因而被廣泛研究。然而，超級電容器在遭受彎曲變形以后，高分子電解質(zhì)層保持良好，電極材料結(jié)構(gòu)往往被破壞，儲能特性下降。電極材料力學(xué)性能的欠缺嚴(yán)重限制了超電容在柔性可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，兼具力學(xué)特性與儲能特性的柔性超級電容器的研制，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。

近期，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國際實驗室研究員陳韋課題組設(shè)計制備了一種MOF結(jié)構(gòu)多孔碳材料，并基于該材料成功構(gòu)筑了兼具力學(xué)柔韌性與高儲能特性的柔性超級電容器。該團(tuán)隊首先在碳納米管表面原位生長了MOF材料，接著使用高溫退火處理得到了MOF結(jié)構(gòu)多孔碳材料。這種新材料具有高氮摻雜（17.82%）、高比表面積（920m2g-1）、窄孔分布（2.5 nm）以及高導(dǎo)電性（278 S m-1）等特性。從結(jié)構(gòu)設(shè)計上看，碳納米管不僅提高了材料導(dǎo)電性，而且賦予了材料連續(xù)性與柔韌性；另一方面，MOF結(jié)構(gòu)則起到吸附容納離子的作用。研究表明，新材料在水體系下測得的比電容高達(dá)426F g-1，并且歷經(jīng)1萬次循環(huán)后性能不衰減。該團(tuán)隊利用聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)/離子液體電解質(zhì)層進(jìn)一步與電極組裝成柔性薄膜超級電容器，實驗證明，器件在遭受扭曲、拉伸以及折疊等變形之后，性能保持良好并且運(yùn)行穩(wěn)定，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。相關(guān)成果已發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上（Advanced Functional Materials, 2017, 27,1606219）。

該工作得到國家自然科學(xué)基金、江蘇省杰出青年自然科學(xué)基金、科技部港澳臺合作專項和科技部重大科學(xué)研究計劃等的資助。

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圖1. MOF結(jié)構(gòu)多孔碳材料制備工藝

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圖2. MOF結(jié)構(gòu)多孔碳儲能特性表征

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圖3. 柔性超級電容器性能表征