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曲良體教授課題組《Adv. Mater.》:在微尺寸超級電容器領域取得重要進展
2019-12-23  來源:高分子科技

  隨著微型及便攜電子設備的迅速發展,體積小、可快速充放電、具有超長循環壽命的微尺寸電容器近年來倍受關注。目前,微尺寸電容器的面積容量在不斷提升,但由于電極材料負載量少、體積容量低,其實際應用仍然受限。常用的微型電容器制備方法通常有光刻法、激光直寫/刻蝕、3D打印以及模板法等,盡管近年來進展斐然,但這些方法仍然有很多缺點。例如光刻及打印法一般過程復雜,能耗高。激光法雖然靈活便捷,但制備的電容器在引入了集流體、基底及外包裝后,體積通常會比較大,這種現象在器件的立體串并聯過程中尤為嚴重,限制了其在微型電子設備中的應用。因此,發展新的方法,制備容量高、體積小的微尺寸電容器,并且能夠實現在空間上的有效集成,就顯得尤為重要,但目前仍面臨很大挑戰。

  鑒于此,曲良體教授團隊發展了一種自發收縮的器件組裝策略,以石墨烯水凝膠為原料,制備出一種具有致密結構的微尺寸超級電容器—CmSC。該電容器體積小,容量高,同時具有良好的循環穩定性,經過25000次循環測試后,仍然保持98%的容量。另外,自發收縮器件組裝法獲得的微尺寸超級電容器單元可以作為基礎組裝模塊進行任意、多維度的空間自組裝,從而可適用于不同的能源體系需求。該工作為制備高性能、多維度集成的微型電容器及系統提供了一種簡便、通用的方法。

圖1 致密微尺寸超級電容器制備示意圖

  自發收縮器件組裝法自收縮組裝法制備電容器是以石墨烯水凝膠為原料,首先根據需要將石墨烯水凝膠分割為片狀,再以氧化石墨烯(GO)黏漿作為隔膜及粘結劑,將石墨烯水凝膠組裝成凝膠/GO/凝膠三明治結構,同時將導電纖維插入到石墨烯凝膠電極材料中作為集流體。在室溫常壓條件下,水凝膠將自發脫水收縮,直接形成密度約為1.49 g cm?3的致密微尺寸超級電容器。

圖2 a) 收縮變形機理。圖中展示了0%, 59.4%, 89.1%以及99%四種不同收縮程度的器件的石墨烯片層及孔洞演變情況。b) 收縮過程中,體系內各種能量的演變情況。c)三明治結構器件截面的掃描電鏡圖。d)三明治結構器件截面的氧元素分布圖。e) 導電金絲嵌入電極材料的掃描電鏡圖。

  在自發脫水收縮過程中,水凝膠內部水與石墨烯片層,以及片層與片層間強的相互作用力導致了石墨烯片的褶皺、堆疊,體系能量不斷降低,體積減小。最終,彎曲褶皺帶來的角能量大幅度升高,體系整體能量增大,收縮停止。收縮過程中,GO黏漿層受限于上下兩面的水凝膠,將隨之一起收縮,結果得到致密規整的三明治結構電容器。在此過程中集流體也將被牢固限制在電極材料中,器件結構非常穩定。

圖3 a) 七個微尺寸電容器件串聯的照片。該結構同時具有良好的柔韌性,可設計為手環或戒指形狀,為LED燈供電。b) 榫卯結構3D叉指電容器制備示意圖。

  該電容器單個器件僅0.0023 cm3,體積容量為68.3 F cm?3,同時具有良好的循環穩定性。更重要的是,自發收縮器件組裝法得到的單個器件可以作為基礎模塊進行任意、多維的空間集成組裝,從而適用于不同的能源體系要求。另外,通過榫卯結構的設計,他們還制備了一種自整合的3D叉指微電容,該結構使得集成器件體積大大降低,從而得到更高的體積容量。自發收縮器件組裝法不僅適用于石墨烯凝膠,同時也可用于其他材料體系。該工作為制備高性能、多維度集成的微型電容器及系統提供了一種簡便、通用的方法。

  以上成果發表在Advanced Materials上(Adv. Mater., 2019, 1907005)。北京理工大學化學與化工學院博士研究生盧冰為論文的第一作者,曲良體教授為通訊作者。

  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.201907005

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(責任編輯:xu)
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