碳納米材料高能柔性電容器研究方面取得進展

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，柔性、可穿戴、可折疊、智能化是電子設(shè)備發(fā)展的主流方向，為電子產(chǎn)品提供能量的儲能器件也逐步向輕、薄、韌等方向發(fā)展。柔性超級電容器是一種儲能器件，具有高容量、充放電速度快、安全環(huán)保等特點，在新興的電子智能設(shè)備等高新技術(shù)上有著廣闊的應(yīng)用前景。碳纖維和碳納米管紗布等碳紡織品作為柔性電極活性材料已經(jīng)被廣泛研究并且表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，然而由于大部分產(chǎn)品是水系電解液，其放電電壓低于2V，極大降低了這些柔性超級電容器的能量輸出，限制了其發(fā)展和實際運用。

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國際實驗室張躍鋼團隊近期結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和高溫熱解技術(shù)，制備在一維碳纖維上生長垂直碳管的三維多級結(jié)構(gòu)，并對其電化學(xué)性能進行研究。在碳纖維上生長垂直碳納米管陣列，提高了碳纖維的比表面積、導(dǎo)電性、多孔性以及電解液的浸潤性，同時利用離子液3體電解液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水系電解液將其輸出電壓擴展到4V，有效提高了柔性電容器的能量輸出。以離子液體為電解液所組成的柔性電容器在30°C，電流密度為0.5A/g的條件下，其比容量達到70.7 Wh/kg, 在60°C，電流密度為1A/g的條件下，其比容量達到98.8 Wh/kg。用該材料組裝的柔性電容器也表現(xiàn)出超高的循環(huán)穩(wěn)定性，在充放電循環(huán)20000次后，其容量保持率為97%。該三維柔性碳電極材料的優(yōu)異性能得益于，利用垂直碳管類儲存和積累電荷，而碳纖維導(dǎo)電基底運輸電荷形成一個三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，極大地促進電子和離子的移動速度，減少材料本身電阻。相關(guān)成果已作為封面文章發(fā)表在Chemistry of Materials(DOI: 10.1021/cm 503784x)雜志上。

該材料的合成方法采用柔性的碳纖維代替以往堅硬的硅或者金屬基底來生長碳納米管陣列，同時采用PVP固體分解提供碳源的方法避免可燃性氣體的使用，合成了仙人掌狀的三維柔性碳電極材料，既降低了成本也提高了制備的安全性，有望大規(guī)模合成，并運用于新興的柔性電子儲能設(shè)備。

以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金的大力支持。

編輯：admin  最后修改時間：2017-09-05