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中科院物理所在皮膚型超級(jí)電容器研究中取得進(jìn)展

發(fā)布:cyqdesign 2016-12-22 11:46 閱讀:1356
近年來(lái),隨著柔性可穿戴電子學(xué)的蓬勃發(fā)展,皮膚型電子器件的研究和制備已成為該領(lǐng)域的焦點(diǎn)之一。為了構(gòu)筑一體化的電子系統(tǒng),人們迫切需要一型的柔性、超薄、輕量化的皮膚型能量存儲(chǔ)裝置。超級(jí)電容器作為一種新型的儲(chǔ)能器件,引起了研究者們的廣泛關(guān)注,然而傳統(tǒng)的薄膜型超級(jí)電容器厚度一般在20 μm以上,無(wú)法滿足柔性和皮膚電子學(xué)器件的實(shí)際要求。此外,該類超級(jí)電容器多采用金屬集流極和襯底,由于集流極多為脆性材料,價(jià)格高昂,且器件必須依附襯底,無(wú)法實(shí)現(xiàn)大角度彎折,因此現(xiàn)有器件難以應(yīng)用于柔性便攜電子學(xué),特別是皮膚電子學(xué)領(lǐng)域。 h )w<{/p(  
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  中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室“納米材料與介觀物理”研究小組,多年來(lái)一直致力于碳納米結(jié)構(gòu)的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)研究,近年來(lái)在碳納米材料基柔性儲(chǔ)能器件領(lǐng)域取得了系列成果(Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 8726; Adv. Mater. 2013, 25, 1058; Nano Res. 2014, 7, 1680; Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500677; Nanoscale 2015, 7, 12492)。最近,該課題組研究生欒平山、張楠、張強(qiáng)在中科院院士解思深、研究員周維亞的指導(dǎo)下,與南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授牛志強(qiáng)等人合作研制出一種柔性、超薄、自支撐、高性能的皮膚型超級(jí)電容器。其題為Epidermal supercapacitor with high performance 的研究工作發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials,2016, 26, 8178-8184)雜志上,并被選為封面文章。 C][`Dk\D{  
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  他們利用直接生長(zhǎng)的碳納米管薄膜與PEDOT進(jìn)行復(fù)合,并對(duì)其負(fù)載量和電化學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。得益于大量“Y型結(jié)”構(gòu)成的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),該復(fù)合薄膜具有高達(dá)~1600 S cm-1的電導(dǎo)率和~300 MPa的力學(xué)強(qiáng)度,有助于皮膚型器件的構(gòu)筑(圖1)。提出一種基于襯底表面能差異的分步分離技術(shù),實(shí)現(xiàn)了器件和襯底的無(wú)損分離,構(gòu)筑出厚度約為1 μm的超薄器件(圖2)。經(jīng)測(cè)試,這種皮膚型超級(jí)電容器的比電容為56 F g-1(相對(duì)于兩電極質(zhì)量),能量密度為6.0 W h kg-1,功率密度為332 kW kg-1,響應(yīng)時(shí)間為5.4 ms,此外器件還可耐受105次的彎折。相對(duì)于其它薄膜器件,該皮膚型超級(jí)電容器在比電容量、功率密度、響應(yīng)時(shí)間上均體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)(圖3)。有望應(yīng)用于柔性可穿戴電子學(xué)和皮膚電子學(xué)等領(lǐng)域(圖4)。 :Q%&:[2  
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  相關(guān)研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院的支持。 IJ!UKa*o%  
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  文章鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201603480/full niFjsTA.Z  
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圖1.不同電鍍?nèi)?shù)時(shí),復(fù)合薄膜比電容量及PEDOT含量(a)、電導(dǎo)率(b)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線(c)。純碳納米管薄膜(d)和復(fù)合薄膜(e)SEM圖像,純碳納米管薄膜(f)和復(fù)合薄膜(g)TEM圖像。 <1"6`24  
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圖2.(a)皮膚型超級(jí)電容器的組裝過(guò)程示意圖。SWCNT/PEDOT復(fù)合薄膜(b)和皮膚型超級(jí)電容器(c)-(d)的光學(xué)照片。(e)-(f) 皮膚型超級(jí)電容器截面的SEM圖像。 *e^ ZH  
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