近年來(lái),柔性可拉伸電子領(lǐng)域發(fā)展迅猛,可拉伸顯示器、人造電子皮膚、可穿戴傳感器和可植入設(shè)備等新型電子器件不斷出現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)一體化的可拉伸電子系統(tǒng),這些新型可拉伸電子器件需要與之相匹配的可拉伸電池和超級(jí)電容器等作為供能裝置。超級(jí)電容器具有高功率密度、循環(huán)效率和能量密度,可進(jìn)行多達(dá)上百萬(wàn)次充放電循環(huán),在可穿戴和可植入供能設(shè)備領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。
近日,美國(guó)密歇根州立大學(xué)曹長(zhǎng)勇教授團(tuán)隊(duì)和杜克大學(xué)Jeff Glass教授團(tuán)隊(duì)合作,在基于直立碳納米管陣列的可拉伸超級(jí)電容器領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該研究中,科研人員成功利用褶皺的Au-CNT直立陣列(Au-CNT-forest)制作了耐用的高性能可拉伸電極,并以此為基礎(chǔ)制備了對(duì)稱(chēng)雙電極超級(jí)電容,在上千次拉伸實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出非常好的機(jī)械性能和優(yōu)異的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,可拉伸Au-CNT-forest電極的電阻比單純的CNT-forest電極的電阻低了約一個(gè)數(shù)量級(jí),達(dá)到了比較厚的CNT網(wǎng)絡(luò)薄膜電極的電阻水平。在不同應(yīng)變條件下(面積應(yīng)變?yōu)?%至800%),在較大的充電/放電速率(80 mA/cm2)下,雙向可拉伸Au-CNT-forest電極表現(xiàn)出近乎不變的電化學(xué)性能,這是先前制備的純碳納米管電極無(wú)法實(shí)現(xiàn)的(Advanced Energy Materials, 2019)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在很大的應(yīng)變載荷下,褶皺Au-CNT-forest超級(jí)電容器具有卓越的機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性,在40 mA/cm2的電流密度下其比電容可達(dá)6 mF/cm-2。本項(xiàng)研究提供了一種簡(jiǎn)易的利用直立納米管或其他材料納米線陣列制備可拉伸超級(jí)電容器或可拉伸電池的新方法。
圖1:基于褶皺Au-CNT-forest的可拉伸電極的制備和表征。
圖2:?jiǎn)蜗蚩衫霢u-CNT-Forest 電極的電化學(xué)性能。
圖3:雙向可拉伸Au-CNT-Forest 電極的電化學(xué)性能。
圖4:?jiǎn)蜗蚩衫霤NT-forest電極與Au-CNT-Forest 電極的在不同應(yīng)變下的電化學(xué)阻抗譜的變化和對(duì)比。
圖5:可拉伸Au-CNT-Forest 電極的機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果。
圖6:不同測(cè)試條件下Au-CNT forest 超級(jí)電容器的電化學(xué)性能比較。
以上成果發(fā)表在Cell出版社的旗艦期刊Matter上在線發(fā)表。論文共同第一作者為周逸豪博士,論文共同通訊作者為密歇根州立大學(xué)曹長(zhǎng)勇教授和杜克大學(xué)Jeff Glass教授。
論文鏈接:“Robust and High-Performance Electrodes via Crumpled Au-CNT Forests for Stretchable Supercapacitors,” Yihao Zhou, Changyong Cao*, Yunteng Cao, Qiwei Han, Charles B. Parker, Jeffrey T. Glass*. Matter, 2, 1–17,2020. DOI: 10.1016/j.matt.2020.02.024https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.024
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