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光學工程
蘇州納米所柔性超級電容器研究獲進展

隨著柔性電子學的發展,可穿戴電子設備正在飛速進入人們的生活。為了實現可穿戴器件的產品化,其供能部件也需要柔性化和高性能化,因此,高性能的柔性儲能器件將越來越顯示出其潛在的市場價值。超級電容器作為一種新型的電能存儲器件,能量密度高于傳統的平行板電容器,功率密度和使用壽命優于鋰離子電池,因而被廣泛研究。然而,超級電容器在遭受彎曲變形以后,高分子電解質層保持良好,電極材料結構往往被破壞,儲能特性下降。電極材料力學性能的欠缺嚴重限制了超電容在柔性可穿戴領域的應用,因此,兼具力學特性與儲能特性的柔性超級電容器的研制,仍然面臨巨大的挑戰。

近期,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所國際實驗室研究員陳韋課題組設計制備了一種MOF結構多孔碳材料,并基于該材料成功構筑了兼具力學柔韌性與高儲能特性的柔性超級電容器。該團隊首先在碳納米管表面原位生長了MOF材料,接著使用高溫退火處理得到了MOF結構多孔碳材料。這種新材料具有高氮摻雜(17.82%)、高比表面積(920m2g-1)、窄孔分布(2.5 nm)以及高導電性(278 S m-1)等特性。從結構設計上看,碳納米管不僅提高了材料導電性,而且賦予了材料連續性與柔韌性;另一方面,MOF結構則起到吸附容納離子的作用。研究表明,新材料在水體系下測得的比電容高達426F g-1,并且歷經1萬次循環后性能不衰減。該團隊利用聚合物互穿網絡/離子液體電解質層進一步與電極組裝成柔性薄膜超級電容器,實驗證明,器件在遭受扭曲、拉伸以及折疊等變形之后,性能保持良好并且運行穩定,在可穿戴設備領域具有重要的應用價值。相關成果已發表在《先進功能材料》雜志上(Advanced Functional Materials, 2017, 27,1606219)。

該工作得到國家自然科學基金、江蘇省杰出青年自然科學基金、科技部港澳臺合作專項和科技部重大科學研究計劃等的資助。

圖1. MOF結構多孔碳材料制備工藝

圖2. MOF結構多孔碳儲能特性表征

圖3. 柔性超級電容器性能表征


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