中國儲能網(wǎng)訊：日前，中國科學院電工研究所馬衍偉研究組與國家納米科學中心魏志祥研究組合作制備出具有高面積比容量、優(yōu)異充放電循環(huán)性能和柔性性能的新型固態(tài)柔性超級電容器。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于國際材料學期刊《先進材料》（Adv. Mater, 2015, doi:10.1002/ adma.201503543），并已申請了國家發(fā)明專利。
當前的固態(tài)柔性超級電容器大多是由兩個自支撐的柔性電極薄膜和中間凝膠態(tài)電解質(zhì)薄膜疊放在一起形成的多層膜堆疊結(jié)構(gòu)。凝膠的高粘度和擴散動力學限制了電解質(zhì)離子在電極內(nèi)部的擴散性，因此難以獲得較高的面積比電容。此外，多層堆疊的器件在不斷彎折時容易造成層與層之間的機械剝離損傷，使得器件內(nèi)阻上升，甚至整體電容性能衰退。因此，如何制備出高性能柔性超級電容器仍然充滿挑戰(zhàn)。
為解決這些問題，該研究團隊設(shè)計將柔性超級電容器的關(guān)鍵成分，電極-電解質(zhì)-電極層集成于單個柔性水凝膠薄膜上，形成一體化（All-in-one）的新型器件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與目前多層膜堆疊的傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)有利于凝膠電解質(zhì)離子在較厚電極層內(nèi)部的擴散和提升力學耐彎折性能。
在具體制備過程中，該團隊采用化學交聯(lián)-鑄膜的方法制備出自支撐的化學水凝膠薄膜，該薄膜具有優(yōu)異的離子導電率（0.082S cm-1）和力學耐拉伸性能（可拉伸至300%），如圖2a-c所示。繼而通過化學原位聚合反應(yīng)將導電聚合物沉積于水凝膠的上下兩個表面和近表面的內(nèi)部，形成復(fù)合水凝膠薄膜。如圖2d-e所示，該薄膜內(nèi)部具有導電聚合物層-水凝膠層-導電聚合物層的排列，因此可形成一體化（All-in-one）的集成式固態(tài)柔性超級電容器。該新型結(jié)構(gòu)固態(tài)柔性超級電容器具有十分突出的面積比容量（488 mF cm-2）和優(yōu)異的充放電循環(huán)穩(wěn)定性（循環(huán)上萬次容量無衰減），如圖3所示。此外，連續(xù)彎折上千次，其電容性能沒有衰減。優(yōu)異的性能可望使這種新型柔性超級電容器應(yīng)用于下一代可穿戴電子設(shè)備的功率型儲能器件中。
在研究組的相關(guān)前期研究工作中，研究人員探討了凝膠態(tài)電極材料在固態(tài)柔性超級電容器中的應(yīng)用。研究人員制備出基于導電聚苯胺水凝膠電極材料。與固態(tài)電極材料相比，該凝膠態(tài)電極材料由于具有更加充分的離子可到達性，因此展現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能和充放電倍率性能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于英國皇家化學會的《材料化學：A輯》（J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 19726）。
上述研究獲得國家自然科學基金委和電工所創(chuàng)新人才引進計劃的大力支持。
圖1 化學交聯(lián)的高分子自支撐水凝膠薄膜
