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、優異充放電循環性能和柔性性能的新型固態柔性超級電容器。相關研究結果發表于國際材料學期刊《先進材料》(Adv. Mater, 2015, doi:10.1002/ adma.201503543),并已申請了國家發明專利。 

當前的固態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電解質薄膜疊放在一起形成的多層膜堆疊結構。凝膠的高粘度和擴散動力學限制了電解質離子在電極內部的擴散性,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。

為解決這些問題,該研究團隊設計將柔性超級電容器的關鍵成分,電極-電解質-電極層集成于單個柔性水凝膠薄膜上,形成一體化(All-in-one)的新型器件結構,如圖1所示。與目前多層膜堆疊的傳統器件結構相比,該結構有利于凝膠電解質離子在較厚電極層內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-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部,形成復合水凝膠薄膜。如圖2d-e所示,該薄膜內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)的集成式固態柔性超級電容器。該新型結構固態柔性超級電容器具有十分突出的面積比容量(488 mF cm-2)和優異的充放電循環穩定性(循環上萬次容量無衰減),如圖3所示。此外,連續彎折上千次,其電容性能沒有衰減。優異的性能可望使這種新型柔性超級電容器應用于下一代可穿戴電子設備的功率型儲能器件中。

在研究組的相關前期研究工作中,研究人員探討了凝膠態電極材料在固態柔性超級電容器中的應用。研究人員制備出基于導電聚苯胺水凝膠電極材料。與固態電極材料相比,該凝膠態電極材料由于具有更加充分的離子可到達性,因此展現出優異的電容性能和充放電倍率性能。相關研究結果發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新人才引進計劃的大力支持。


2016年12月07日

中國中車研制成功大功率石墨烯超級電容
高端電容器仍依賴進口 需加快升級轉型步伐

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中科院電工所等制備出集成式新型固態柔性超級電容器

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